Фотоядерные реакции

Определение и сущность явления Фотоядерные реакции представляют собой ядерные превращения, инициированные поглощением ядром высокоэнергетического фотона, обычно γ-кванта. В отличие от обычных ядерных реакций, где частицы сталкиваются между собой, в фотоядерных реакциях энергия передаётся ядру через электромагнитное излучение. Основным условием возникновения реакции является превышение энергии поглощаемого фотона над пороговой энергией реакции, которая определяется связью нуклонов в ядре.

Механизм фотоядерных реакций Процесс поглощения γ-кванта ядром можно рассматривать в двух стадиях:

Возбуждение ядра — при поглощении фотона ядро переходит в возбужденное состояние. Энергия фотона частично расходуется на преодоление сил нуклонной связи.
Испускание частиц или деление — возбужденное ядро стремится к более устойчивому состоянию и может испустить один или несколько нуклонов (нейтронов, протонов, α-частиц), либо произойти деление на более легкие ядра.

Выбор канала реакции определяется внутренней структурой ядра и энергией фотона. Наиболее распространёнными являются реакции с испусканием нейтронов, что связано с отсутствием кулоновского барьера для нейтронов.

Классификация фотоядерных реакций

(γ,n)-реакции — испускание одного нейтрона; характерны для тяжёлых ядер.
(γ,p)-реакции — испускание протона; требует более высокой энергии из-за кулоновского барьера.
(γ,α)-реакции — испускание α-частицы; наблюдаются в ядрах с высокой связью нуклонов.
(γ,2n), (γ,np), (γ,nα) — множественные каналы распада при высоких энергиях фотонов.

Пороговые энергии Пороговая энергия реакции определяется разностью масс между исходным и конечным ядром, с учётом испускаемых частиц. Для (γ,n)-реакций она обычно составляет несколько МэВ. Чем выше энергия связи нуклона в ядре, тем более высокоэнергетический фотон необходим для запуска реакции.

Зависимость вероятности реакции от энергии фотона Вероятность фотоядерной реакции описывается сечением реакции, которое резко возрастает при достижении энергии фотона, превышающей пороговую, и достигает максимума в области гигантского дипольного резонанса (ГДР). Для тяжёлых ядер максимум ГДР наблюдается в диапазоне 10–30 МэВ, для лёгких — около 20–25 МэВ.

Гигантский дипольный резонанс ГДР представляет собой коллективное колебание протонов относительно нейтронов в ядре. Поглощение фотона вызывает синхронное движение всех протонов против всех нейтронов, что резко увеличивает вероятность испускания нейтрона. Этот резонанс является характерной особенностью большинства стабильных ядер и определяется структурой ядра и его массой.

Примеры фотоядерных реакций

Для дейтерия: [ ] Пороговая энергия около 2,2 МэВ.
Для кислорода: [ ] Пороговая энергия около 15,7 МэВ.
Для свинца: [ ] Пороговая энергия около 7,4 МэВ, максимум сечения наблюдается при ~13–15 МэВ.

Источники фотонов для фотоядерных реакций Источниками γ-квантов являются:

Радиоактивные изотопы, испускающие γ-кванты высокой энергии.
Линейные ускорители электронов, где тормозное излучение используется для генерации γ-лучей.
Ядерные взрывы и реакторы, где возникает сильное гамма-излучение.

Применение фотоядерных реакций

Ядерная физика — исследование структуры ядра, измерение энергии связи нуклонов.
Ядерная энергетика — получение нейтронов для инициирования цепной реакции.
Медицина — производство радионуклидов для диагностики и терапии.
Аналитическая химия — определение содержания элементов методом активационной спектроскопии.

Особенности расчётов и экспериментального изучения При расчёте фотоядерных реакций учитываются:

Энергия и спектр γ-квантов.
Сечения реакции и вероятность выбора конкретного канала распада.
Энергия связи нуклонов и кулоновский барьер для заряженных частиц.
Коллективные эффекты в ядре, проявляющиеся в резонансах.

Экспериментально реакции изучаются с помощью детекторов испускаемых нейтронов и заряженных частиц, спектрометров γ-излучения и методов активационной спектроскопии. Полученные данные позволяют уточнять модели ядерной структуры и расчёта ядерных процессов.

Влияние на стабильность ядер Фотоядерные реакции играют важную роль в ядерной астрофизике, определяя пути синтеза элементов в звёздах. Высокоэнергетическое γ-излучение может приводить к разрушению тяжёлых ядер, влияя на изотопный состав вещества в звёздной среде.

Заключение по значению явления Фотоядерные реакции являются уникальным инструментом для изучения структуры ядер, испытания теоретических моделей и получения нуклидов с конкретными свойствами. Их исследование требует сочетания теоретического расчёта, экспериментальной точности и понимания фундаментальных процессов взаимодействия электромагнитного излучения с ядерным веществом.