Классификация ядерных реакций

Ядерные реакции представляют собой процессы взаимодействия атомных ядер с частицами или другими ядрами, сопровождающиеся изменением состава или энергии ядра. Классификация ядерных реакций основана на характере этих изменений, механизмах взаимодействия и участвующих частицах.

1. По типу участников

1.1. Реакции с участием нуклонов Эти реакции включают протонные, нейтронные и дейтронные взаимодействия:

(n, γ)-реакции — захват нейтрона с последующей гамма-эмиссией; важны для синтеза новых изотопов и процессов ядерного деления.
(p, n)-реакции — замещение протона нейтроном, сопровождающееся изменением числа протонов и превращением одного элемента в другой.
(d, n) и (d, p)-реакции — взаимодействие дейтрона, часто используется в ускорительной ядерной химии для получения редких изотопов.

1.2. Реакции с участием тяжелых частиц К ним относятся реакции с α-частицами, ядрами гелия или углерода:

(α, n) и (α, γ)-реакции — характерны для процессов в звездной нуклеосинтезе.
Тяжелые ионные реакции — включают взаимодействие ядер с высокими энергиями, приводящее к образованию экзотических изотопов и новых элементов.

2. По изменению массы и энергии

2.1. Эндотермические и экзотермические реакции

Эндотермические реакции требуют внешнего введения энергии для протекания, например, (n, 2n)-реакции.
Экзотермические реакции выделяют энергию, как в ядерном делении урана-235 или плутония-239.

2.2. Реакции деления и синтеза

Ядерное деление — распад тяжелого ядра на два или более более легких с выделением нейтронов и энергии. Основной механизм для атомной энергетики.
Ядерный синтез — объединение легких ядер в более тяжелые, сопровождающееся высвобождением значительных количеств энергии, типично для звездных процессов.

3. По механизму взаимодействия

3.1. Реакции прямого взаимодействия Происходят быстро, без образования промежуточного компаунда, на типичных расстояниях порядка размеров ядра (~10⁻¹⁵ м).

Примеры: рассеяние α-частиц на ядрах, захват нуклонов при высоких энергиях.
Характеризуются малыми временами жизни промежуточного состояния и ограниченным количеством продуктов реакции.

3.2. Реакции с образованием соединённого ядра Образуется временный компаунд-ядро, которое затем распадается на конечные продукты.

Типичные для медленных нейтронных реакций.
Примеры: (n, γ)-реакции, β⁻-распад с последующим захватом частиц.

4. По числу участвующих частиц

4.1. Одночастичные реакции Участвует одно ядро и одна частица; классическим примером является (n, γ)-реакция.

4.2. Дву- и многочастичные реакции

Двухчастичные: A + a → B + b. Пример: (p, n)-реакция, где один протон сталкивается с ядром, а выходит нейтрон.
Многочастичные: сопровождаются образованием нескольких частиц, часто встречаются в высокоэнергетических взаимодействиях тяжелых ионов.

5. По изменению числа нуклонов

5.1. Изомерные переходы Ядро переходит в возбужденное состояние с последующим гамма-излучением, без изменения числа протонов или нейтронов. Пример: ⁹⁹ᵐТс → ⁹⁹Тс + γ.

5.2. Превращения нуклонов

β⁻-распад: нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино.
β⁺-распад: протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
Электронный захват: протон в ядре захватывает электрон, превращаясь в нейтрон.

6. По энергетическим условиям

6.1. Термические и быстрые реакции

Термические реакции происходят при низких энергиях частиц, близких к тепловой энергии вещества (например, замедленные нейтроны).
Быстрые реакции требуют высоких кинетических энергий, типично для ускорителей и космических процессов.

6.2. Фотоядерные реакции Возникают под действием γ-квантов высокой энергии. Примеры: (γ, n)-реакции, важные для изучения структуры ядра и синтеза редких изотопов.

7. Промежуточные и экзотические классификации

7.1. Кластерные реакции Включают выброс или поглощение кластеров нуклонов (например, α-частиц) вместо отдельных нуклонов. Позволяют создавать нестандартные изотопы.

7.2. Реакции с образованием сверхтяжелых элементов Происходят при столкновении тяжелых ионов с целью синтеза новых элементов за пределами периодической таблицы. Энергия таких реакций крайне высока, а вероятность крайне мала.

8. Основные характеристики реакции

Каждая ядерная реакция характеризуется следующими величинами:

Энергетическим выходом (Q) — разностью масс участников и продуктов, определяющей эндо- или экзотермичность реакции.
Сечением реакции (σ) — мера вероятности реакции при данном типе частиц и энергии.
Временем жизни промежуточного состояния — критично для классификации на прямые и компаунд-реакции.
Типом испускаемых частиц — γ-кванты, нуклоны, α-частицы, лептоны.

Эта систематизация позволяет предсказывать возможные продукты реакций, рассчитывать энергетические балансы и выбирать оптимальные условия для синтеза изотопов или изучения структуры ядер. Классификация ядерных реакций служит основой для понимания механизмов ядерных превращений и разработки приложений в энергетике, медицине и фундаментальной физике.