Пример

Ядро 7Li захватывает медленный нейтрон и испускает γ -квант. Чему равна энергия

γ -кванта?

Энергия γ -кванта:

Eγ = Q − EBe =18,037 −0,025 =18,012 МэВ.

Реакции

поддействием

нейтронов

Enrico Fermi

(1901-1954)

Нобелевская премия по физике

1938 г. — Э. Ферми За демонстрацию существования новых

радиоактивных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными нейтронами.

Составное ядро 64Zn

63 Zn + n

α + 60 Ni 62 Zn + 2n

62 Cu + p + n

63 Zn +n

p + 63Cu 62 Zn +2n

62 Cu + p +n

Составное ядро

Какие причины делают составное ядро долгоживущим?

Во-первых, из-за короткодействия ядерных сил движение нуклонов в ядре может быть сильно запутанным. Вследствие этого энергия влетевшей в ядро частицы быстро перераспределяется между всеми частицами ядра. В результате часто оказывается, что ни одна частица уже не обладает энергией, достаточной для вылета из ядра. В этом случае ядро живет до флуктуации, при которой одна из частиц приобретает достаточную для вылета энергию.

Во-вторых, кулоновское отталкивание между протонами из-за малой проницаемости кулоновского барьера на несколько порядков уменьшает вероятность вылета протонов из средних и тяжелых ядер.

В-третьих, вылет частиц из составного ядра может затрудняться различными правилами отбора.

В-четвертых, в реакциях с испусканием γ-квантов, на средних и тяжелых ядрах в ядре

происходит сильная перестройка структуры при испускании γ-кванта. Время перестройки

значительно превышает характерное ядерное время 10−22 с.

Составноеядро

Сечения образования составного ядра в реакциях p + 120Sn и n + 120Sn в

зависимости от энергии протонов и нейтронов. При небольших энергиях сечение реакции с протонами подавлено из-за кулоновского барьера. Нейтронное сечение с уменьшением энергии растет за счет увеличения длины волны налетающего нейтрона.

Прямые ядерные реакции

Прямые ядерные реакции

Прямые реакции протекают за времена, сравнимые с характерным ядерным временем

τя ≈10−22 с. В прямой реакции налетающая

частица непосредственно передает энергию какой-либо простой степени свободы ядра − однонуклонной, двухнуклонной, α-частичной,

коллективной и т. д. Налетающая частица может совершить одно столкновение с нуклоном ядра и иметь после этого достаточную энергию, для того чтобы покинуть ядра. Это отвечает прямой реакции неупругого рассеяния частицы. Налетающая частица может в одном акте соударения передать достаточно энергии для вылета из ядра нуклона, с которым она столкнулась или фрагменту ядра из малого числа нуклонов. В этом случае вылетающие ядра-осколки называются фрагментами, а сам процесс −

фрагментацией. Налетающая частица может в результате кулоновского взаимодействия заставить ядро вращаться. Это пример прямой реакции возбуждения вращательной степени свободы ядра.

Прямые процессы идут на всех ядрах при любых налетающих частицах. Прямыми, как правило, являются также процессы столкновений, при которых из ядер вылетают элементарные частицы − пионы, каоны,

гипероны и др.

Реакции срыва и подхвата

СРЫВ

ПОДХВАТ

Примером прямых реакций являются реакции срыва и подхвата (d, p), (d, n), (p, d), (23He,α), (d, t) и т. д. Эти

реакции называют также реакциями однонуклонной передачи, так как в них налетающая частица и ядромишень обмениваются одним нуклоном. Реакции срыва (d, p) и обратной ей реакции подхвата (p, d) обычно идут на поверхности ядра. В реакции срыва один из нуклонов дейтрона (в данном случае это нейтрон) захватывается ядром, а другой (протон) движется в направлении своего первоначального импульса, практически не взаимодействуя с ядром. В реакции подхвата протон взаимодействуя с ядром (А+1) подхватывает из ядра нейтрон. В результате образуется дейтрон и ядро А.

Реакции срыва и подхвата

Реакцию срыва удобно использовать для изучения одночастичных состояний конечного ядра (А+1), которые связаны с изменением состояния

отдельного нуклона. В реакции срыва (d,p) захваченный ядром нейтрон занимает один из свободных энергетических уровней. При этом протон содержит информацию об этом уровне – его энергии, чётности, моменте количества движения. В реакции подхвата (p, d) подхваченный налетающим протоном нейтрон оставляет вакансию на уровне, который он занимал. Образовавшийся дейтрон содержит информацию об уровне ядра, с которого захвачен нейтрон.

Информация об одночастичных ядерных состояниях в реакциях однонуклонной передачи содержится в угловых распределениях вылетающих частиц. Свойственное прямым реакциям однократное взаимодействие начальных и конечных частиц с ядром-мишенью и конечным ядром приводит, во-первых, к сильной зависимости угловых распределений продуктов реакции от квантовых чисел уровня, на который «срывается», либо с которого «подхватывается» нуклон. По угловому распределению продуктов реакции можно определить эти квантовые числа. Во-вторых, взаимодействие содержит информацию о степени заполнения уровня другими нуклонами. Очевидно, например, что нейтрон в реакции 168 O(d, p)178 O не может сесть на уровень

1 p1/ 2 , поскольку все 4 состояния уже заняты другими

нейтронами. В общем случае сечение реакции срыва прямо пропорционально числу дырок, а сечение реакции подхвата − числу нуклонов в подоболочке nlj.

Реакции

(p,2p), (р, рn), (e, e'p), (e, e'n)

К прямым ядерным реакциям относятся реакции квазиупругого выбивания (p,2p), (р, рn), (e, e'p), (e, e'n)

при больших энергиях налетающих частиц (десятки–сотни МэВ). В таких реакциях одному из нуклонов ядра сообщается большая кинетическая энергия, и он покидает ядро, практически не обмениваясь ею с другими нуклонами. Регистрируя конечные продукты реакции, например 2 протона или электрон и протон, можно получить информацию о том энергетическом уровне, который занимал вылетевший из ядра нуклон.

В реакциях квазиупругого выбивания нуклон может быть выбит не только из внешних, но и из внутренних оболочек ядра.

Реакции (p,2p)

40Ca(e,e’p)39K

Сечение реакции 16O(p,2p)

Сечение реакции 16O(p,2p) имеет три отчетливых максимума, соответствующих выбиванию протона из оболочек 1р1 2 , 1р3 2 и 1s1 2. По

положению этих максимумов можно определить энергию, необходимую для вырывания нуклона из каждой оболочки. Энергии максимумов равны 12, 19 и ≈ 45 МэВ и являются энергиями связи

сравнительно узкие (2-3 МэВ). Их ширина определяется энергетическим разрешением эксперимента. Максимум при энергии ≈45 МэВ соответствует выбиванию протона из самой глубокой внутренней оболочки 1s1 2 и образованию ядра 157 N в глубоком

дырочном состоянии 1/2+. Его ширина составляет Γ ≈ 15 МэВ. Столь большая ширина этого дырочного состояния свидетельствует о его сильной связи с другими степенями свободы в ядре, т. е. описывает быстрое затухание простого одночастичного движения в ядре 16О. Время жизни этого глубокого дырочного состояния τ ≈ ћ/Γ ≈ 4 10−23 с. В спектре уровней конечного ядра 157 N дырочное состояние 1s1 2

«разбросано» по большому числу отдельных уровней более сложной природы.

Взаимодействие γ-квантовсядрами

При небольших энергиях γ-квантов Eγ <5÷10 МэВ в

сечении реакции наблюдаются чётко выраженные резонансы, соответствующие возбуждению отдельных уровней ядра. В области энергий Eγ ≈10÷40 МэВ в ядре возбуждается гигантский

дипольный резонанс, который можно интерпретировать как колебания протонов относительно нейтронов под действием электромагнитной волны. В результате поглощения γ-кванта из возбужденного состояния ядра

испускаются протоны и нейтроны. При энергиях Eγ >100 МэВ γ-кванты взаимодействуют с

отдельными нуклонами ядра. При этом образуются возбужденные состояния нуклона — и N-резонансы, распадающиеся с испусканием π-мезонов.

Векторнаядоминантность

Явление векторной доминантности состоит в том, что фотон часть времени проводит в состоянии ρ-мезона

или других векторных мезонов. Эта часть времени особенно велика для такого фотона, который виртуален и имеет массу, близкую к массе ρ-мезона.

Непосредственным экспериментальным доказательством превращения γ-кванта в ρ-мезон является

существованиеканалараспада

ρ → e+ + e−.

Гипотеза векторной доминантности — взаимодействие реальных и виртуальных фотонов с адронами при энергиях в несколько сот МэВ и выше в основном происходит посредством узлов.

Гипотеза базируется на том, что ρ-мезон подвержен

сильным взаимодействиям и поэтому, появившись вместо фотона на короткое время, успевает провзаимодействовать с большей вероятностью, чем фотон, за более длительный промежуток. Полное сечение поглощения фотонов высокой энергии

атомными ядрами пропорционально А23. Это

означает, что поглощение фотонов происходит на поверхности ядра, а не во всем объёме, и является одним из подтверждений гипотезы векторной доминантности.

Кулоновское

возбуждение атомных ядер

Кулоновское возбуждение вращательных состояний атомных ядер

238U + 40 Ar →(238U )* + 40 Ar

↓

238U +7γ

Размеры атомного ядра и частиц