Фотоядерные реакции

Фотоядерные реакции представляют собой ядерные процессы, инициируемые поглощением ядром высокоэнергетических γ-квантов. Эти реакции относятся к классу радиационно-индуцированных ядерных превращений, и их открытие связано с развитием методов ускоренной ядерной спектроскопии и изучением взаимодействия γ-излучения с ядрами.

Механизм взаимодействия γ-квантов с ядром

Основной механизм фотоядерных реакций определяется следующими процессами:

1. Поглощение γ-кванта ядром — ядро переходит в возбужденное состояние. Энергия возбуждения (E^*) определяется энергией поглощенного фотона (E_), при этом (E_E_), где (E_) — минимальная энергия, необходимая для реализации конкретного типа реакции.

2. Распад возбужденного ядра — после достижения состояния с энергией выше порога возможны различные пути распада:

   • Испускание нейтрона (γ, n) — один из наиболее частых каналов, особенно для тяжёлых ядер.
   • Испускание протона (γ, p) — характерно для ядер с меньшим избыточным числом нейтронов.
   • Испускание α-частицы (γ, α) — встречается реже, требует более высокой энергии γ-кванта.
   • Многочастичный распад (γ, 2n), (γ, np) — возможен при очень высоких энергиях фотонов.

Энергетические характеристики

Пороговые энергии фотоядерных реакций зависят от энергетической структуры ядра и энергии связи испускаемой частицы. Для большинства ядер пороги лежат в диапазоне 5–20 МэВ для нейтронов и 10–30 МэВ для протонов и α-частиц. При превышении пороговой энергии сечения реакции увеличиваются, достигая максимума на уровне резонансных состояний ядра.

Сечения фотоядерных реакций

Сечение фотоядерной реакции ((E)) описывает вероятность взаимодействия γ-кванта с ядром. Основные характеристики сечения:

• Резонансная структура — характерна для γ-излучения с энергией, совпадающей с коллективными возбуждениями нуклонов (например, гигантский дипольный резонанс).
• Зависимость от энергии фотона — с ростом энергии сечение сначала резко увеличивается до резонансного максимума, затем постепенно уменьшается при высоких энергиях.
• Типичные значения — для реакции (γ, n) достигают 100–500 мб (миллибарн), для реакций с испусканием протона или α-частицы — значительно ниже.

Методы получения фотоядерных реакций

Источниками γ-излучения высокой энергии служат:

1. Радионуклидные источники с γ-линиями высокой энергии (например, (^{60}), (^{24})), применяются для изучения реакций с низким порогом.
2. Электронные ускорители (линейные и циклотроны) — генерация γ-квантов происходит при тормозном излучении ускоренных электронов.
3. Ядерные реакции с быстрыми частицами — γ-излучение образуется как побочный продукт при взаимодействии протонов, нейтронов или α-частиц с легкими ядрами.

Применение фотоядерных реакций

• Синтез радиоактивных изотопов — фотоядерные реакции позволяют получать редкие изотопы, востребованные в медицине и промышленности (например, (^{99}) через реакцию (γ, n) на (^{100})).
• Ядерная спектроскопия — изучение сечений и порогов реакций даёт информацию о структуре ядра и энергетических уровнях.
• Изучение ядерной астрофизики — фотоядерные реакции играют роль в цепочках синтеза элементов в звёздах, особенно при γ-процессах образования тяжёлых элементов.
• Нейтронные источники — реакция (γ, n) используется для генерации нейтронов в научных и промышленных установках.

Особенности и ограничения

• Высокие пороговые энергии ограничивают применение фотоядерных реакций для лёгких источников γ-излучения.
• Конкуренция между различными каналами распада требует точного расчёта вероятностей и сечений для планирования экспериментов.
• Необходимость высокой интенсивности γ-потока для получения достаточного числа продуктов реакции, что определяет требования к источникам и установкам.

Фотоядерные реакции предоставляют уникальный инструмент для исследования структуры ядра, синтеза редких изотопов и моделирования процессов, происходящих в экстремальных ядерных условиях, сочетая фундаментальные и прикладные аспекты радиохимии.