Механизмы ядерных реакций

Ядерная реакция представляет собой процесс изменения состава ядра под воздействием другой частицы или ядра. Механизмы ядерных реакций определяют характер взаимодействия и вероятность протекания реакций. Они включают прямые процессы, каскадные и многоступенчатые реакции, а также процессы переноса частиц и деления ядра.

Прямые реакции

Прямые реакции происходят за время порядка (10^{-22} - 10^{-21}) с и характеризуются взаимодействием между входящей частицей и ядром в одной ступени. Ключевыми особенностями являются:

  • Малое изменение внутренней структуры ядра. Ядро остается относительно «спокойным», происходит лишь обмен одной или нескольких частиц.

  • Высокая селективность. Возможен перенос нейтрона, протона, α-частицы или деформации ядра.

  • Примеры процессов:

    • Реакции переноса частиц ((d,p)), ((p,d)), ((^3He, α)).
    • Реакции возбуждения ядра, не сопровождающиеся его разрушением.

Энергетическая зависимость прямых реакций отражается в резонансах и узких энергетических интервалах, где сечение реакции резко возрастает.

Каскадные реакции

Каскадные (или многоступенчатые) реакции характеризуются сложным взаимодействием частицы с ядром, включающим серию последовательных столкновений внутри ядра. Основные признаки:

  • Продолжительность процесса: порядка (10^{-20} - 10^{-18}) с.
  • Многоступенчатость: инцидентная частица инициирует серию столкновений с нуклонами ядра, что может приводить к испарению частиц.
  • Выброс вторичных частиц: нейтронов, протонов, α-частиц с различными энергиями.
  • Модель каскада: описывает перемещение энергии через нуклоны ядра как «кучу столкновений», после чего ядро приходит в состояние термального равновесия.

Эта модель применима к высокоэнергетическим нейтронам, протонам и ядрам, где энергия инцидентной частицы превышает ~20–30 МэВ.

Термальные и статистические реакции

Если ядро достигает состояния термального равновесия после взаимодействия с частицей, дальнейшее распадание происходит по статистическим законам:

  • Эвапорационные реакции: ядро испаряет нейтроны, протоны, α-частицы, γ-кванты, достигая стабильного состояния.
  • Характеристика: вероятности испарения определяются температурой ядра и энергетическими уровнями частиц.
  • Применение: термоядерные реакции, реакторы на быстрых нейтронах, расчёт выхода вторичных продуктов.

Реакции переноса частиц

Перенос частиц включает обмен одного или нескольких нуклонов между ядром и инцидентной частицей. Основные механизмы:

  • Одночастичные переносы: ((d,p)), ((p,d)) — обмен одним нуклоном.
  • Многочастичные переносы: ((α,2n)), ((^3He,pn)) — перенос нескольких частиц одновременно.
  • Селективность и угловые распределения: прямые реакции переноса проявляют характерные угловые распределения частиц, что позволяет изучать структуру ядра.

Ядерное деление

Деление — процесс, при котором тяжёлое ядро разделяется на два (или более) фрагмента, выделяя значительное количество энергии:

  • Спонтанное деление: происходит без внешнего воздействия, характерно для тяжёлых ядер (U, Pu).
  • Индуцированное деление: инициируется нейтроном или другой частицей.
  • Выход энергии: включает кинетическую энергию фрагментов, гамма-излучение и нейтроны.
  • Вероятность и механизм: определяется барьером ядерного потенциала, распределением массы и зарядов фрагментов, а также квантово-механическим туннелированием через потенциал.

Реакции с возбуждением ядра и γ-излучение

Возбуждение ядра сопровождается переходом ядра в более высокое энергетическое состояние:

  • Энергетические уровни: возбуждённые состояния имеют дискретные уровни, каждый из которых характеризуется определённой энергией и моментом импульса.
  • Декомпозиция энергии: ядро возвращается в основное состояние, испуская γ-кванты или отдавая энергию через внутреннюю конверсию.
  • Прямое vs статистическое возбуждение: прямое возбуждение связано с конкретными переходами, статистическое — с термодинамическим распределением энергии внутри ядра.

Многоступенчатые процессы с участием мезонов и лептонов

При высоких энергиях (свыше 100 МэВ) вступают в действие процессы, включающие образование мезонов ((π), (K)) и лептонов:

  • Примеры: нейтронные и протонные взаимодействия с образованием π-мезонов.
  • Каскад мезонов: мезоны могут взаимодействовать с нуклонами, вызывая вторичное производство частиц.
  • Влияние на ядерную структуру: вызывает комплексное возбуждение ядра, порой ведущие к его фрагментации.

Ключевые параметры механизма реакции

  1. Сечение реакции (()) — мера вероятности реакции, зависит от энергии, углового распределения и типа частиц.
  2. Время взаимодействия — различает прямые реакции от каскадных и термальных процессов.
  3. Энергетическое распределение продуктов — показывает характер механизма (острая пик с резонансами для прямых реакций, широкая распределённая для статистических).
  4. Изотопический состав продуктов — позволяет идентифицировать тип реакции и оценить вероятность образования конкретных нуклидов.

Механизмы ядерных реакций формируют основу радиохимии, обеспечивая понимание процессов образования радиоактивных изотопов, энергетического выхода и структуры ядер. Их классификация и количественное описание лежат в основе проектирования ядерных реакторов, радионуклидных источников и ядерных технологий.

Оглавление