11. Ядерные реакции

    Большую роль в развитии представлений о структуре ядер сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек. Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы β-стабильности. Ядра, удаленные от полосы β-стабильности, отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов, существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и рядом других специфических особенностей атомных ядер.
    При анализе ядерных реакций необходимо учитывать волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0.1 МэВ длина волны больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией << 0.1 МэВ сечение реакции ~π² гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
    Ядерные реакции являются эффективным методом исследования ядерной динамики. Ядерные реакции происходят при взаимодействии двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц, разлетающихся из области взаимодействия. В результате ядерной реакции происходит сложный процесс перестройки атомного ядра. Как и при описании структуры ядра, при описании ядерных реакций практически невозможно получить точное решение задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными моделями, протекание ядерной реакции описывается различными механизмами реакций. Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов – от типа налетающей частицы, типа ядра-мишени, энергии налетающей частицы и от ряда других факторов. Одним из предельных случаев ядерной реакции является прямая ядерная реакция. В этом случае налетающая частица передаёт энергию одному-двум нуклонам ядра, и они покидают ядро, не взаимодействуя с другими нуклонами ядра. Характерное время протекания прямой ядерной реакции 10^-23 с. Прямые ядерные реакции идут на всех ядрах при любой энергии налетающей частицы. Прямые ядерные реакции используются для изучения одночастичных состояний атомных ядер, т.к. продукты реакции несут информацию о положении уровней, из которых выбивается нуклон. С помощью прямых ядерных реакций была получена детальная информация об энергиях и заполнении одночастичных состояний ядер, которая легла в основу оболочечной модели ядра. Другим предельным случаем являются реакции, идущие через образование составного ядра.

    Описание механизма ядерных реакций было дано в работах В.Вайскопфа.

    В.Вайскопф: «Что происходит, когда частица входит в ядро и сталкивается с одной из ядерных составных частей? Рисунок иллюстрирует некоторые из этих возможностей.
    1) Падающая частица теряет часть своей энергии, поднимая ядерную частицу в более высокое состояние. Это будет результатом неупругого рассеяния, если падающая частица остается с энергией, достаточной для того, чтобы снова покинуть ядро. Этот процесс называют прямым неупругим рассеянием, поскольку он предполагает рассеяние только на одной составной части ядра.
    2) Падающая частица передает энергию коллективному движению, как это символически показано на второй схеме рисунка, это также является прямым взаимодействием.
    3) На третьей схеме рисунка переданная энергия достаточно велика для того, чтобы вырвать нуклон из мишени. Этот процесс также дает вклад в прямую ядерную реакцию. В принципе он не отличается от 1), он соответствует «обменной реакции».
    4) Падающая частица может потерять так много энергии, что остается связанной внутри ядра, переданная энергия может быть принята низколежащим нуклоном таким образом, что он не сможет оставить ядро. Мы получаем тогда возбужденное ядро, которое не может испустить нуклон. Это состояние с необходимостью приводит к дальнейшим возбуждениям нуклонов внутренними столкновениями, в которых энергия на возбужденную частицу в среднем убывает, так что в большинстве случаев нуклон не может покинуть ядро. Следовательно, будет достигнуто состояние с очень большим временем жизни, которое может распасться только в том случае, когда одна частица при столкновениях внутри ядра случайно приобретет достаточную энергию для того, чтобы покинуть ядро. Такую ситуацию мы называем образованием компаунд-ядра. Энергия может быть потеряна также излучением, после которого вылет частицы становится энергетически невозможным: падающий нуклон испытает радиационный захват.
    5) Образование компаунд-ядра может осуществляться в два или более шагов, если после процесса типа 1) или 2) падающий нуклон на своем пути ударяет другой нуклон и возбуждает его таким образом, что вылет из ядра оказывается невозможным для любого нуклона».

    Впервые представление о протекании ядерной реакции через стадию составного ядра было высказано Н.Бором. Согласно модели составного ядра, падающая частица после взаимодействия с одним или двумя нуклонами ядра передаёт ядру большую часть своей энергии и оказывается захваченной ядром. Время жизни составного ядра гораздо больше, чем время пролёта налетающей частицы через ядро. Внесенная налетающей частицей в ядро энергия перераспределяется между нуклонами ядра до тех пор, пока значительная её часть не сосредоточится на одной частице и тогда она вылетает из ядра. Образование долгоживущего возбужденного состояния может в результате деформации привести к его делению.

Механическая модель описания ядерной реакции

    Н. Бор: «Явление захвата нейтронов заставляет нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжелым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы встречаемся здесь с существенной разницей, ранее еще нераспознанной, между настоящими ядерными реакциями – обычными соударениями быстрых частиц и атомных систем – соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счета посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств обязаны, прежде всего, «открытости» рассматриваемых систем, которая делает весьма маловероятными обмен энергии между отдельными составляющими частицами в продолжение удара. Однако вследствие тесной упаковки частиц в ядре, мы должны быть готовы к тому, что именно этот обмен энергии играет основную роль в типичных ядерных реакциях».

    Классификация ядерных реакций. Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер. Если длина волны налетающей частицы больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в целом. Если меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам.

• Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно большой массы (протоны, α-частицы и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер.
• Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер.
• Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 10⁷–10¹⁰ К и являются основным источником энергии звезд.
• Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами γ-квантов и электронов с энергией E > 10 МэВ.
• Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра.
• Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности.

    Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.

Реакции на медленных нейтронах

    «1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное: активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса. Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку. Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец − вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое! − предложил Ферми. − Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином.
    Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз.
    В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв, установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже была готова теория, которая объясняла странное действие парафина».

Л. Ферми. «Атомы у нас дома»

1934 г. Реакции под действием тепловых нейтронов. 1934 г. Э. Ферми сформулировал теорию β-распада и ввел новое понятие − слабое взаимодействие.  1942 г. Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе.

Энрико Ферми (1901–1954)

    Ферми нашёл объяснение этого странного поведения отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит радиус ядра R мишени, пределом поперечного сечения является не πR², a π² с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых случаях σ_c составляет 10³ или даже 10⁴ от геометрического поперечного сечения ядра.

Э. Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания.

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.