Механизм ядерных реакций, протекающих через составное ядро

Установлено, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап – это захват налетающей частицы a ядром X с образованием составного (или промежуточного) ядра. При этом энергия частицы a быстро перераспределяется между всеми нуклонами ядра, и составное ядро оказывается в возбужденном состоянии. В этом состоянии ядро пребывает до тех пор, пока в результате внутренних флуктуации на одной из частиц (которая может состоять и из нескольких нуклонов) не сконцентрируется энергия, достаточная для вылета ее из ядра.

Такой механизм протекания ядерной реакции был предложен Н. Бором в 1936 г. и впоследствии подтвержден экспериментально. Эти реакции иногда записывают с указанием составного ядра C, как например:

a + X → C* → Y + b, C* – ядро C возникает в возбужденном состоянии.

Составное ядро C* существует достаточно долго по сравнению с «ядерным временем», т.е. временем пролета нуклона с энергией ~1 МэВ (v = 109 см/с) расстояния, равного диаметру ядра. Ядерное время τ_я ≈ 10^-21 с.

Время же жизни составного ядра в возбужденном состоянии – 10⁻¹⁴ с. Т.е. в ядерном масштабе составное ядро живет действительно очень долго (~10⁷τ_я). За это время в ядре может произойти множество столкновений нуклонов между собой, а значит перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно. Следовательно, составное ядро «живет» настолько долго, что все следы истории его образования исчезают. Поэтому распад составного ядра – вторая стадия реакции – протекает независимо от способа образования составного ядра.

Разделение процесса ядерной реакции на две стадии – образование промежуточного ядра и его распад – позволяет проводить вычисления сечения реакции σ_i в виде: σ_i = σ'∙η_i,

σ* – сечение образования составного ядра, η_i – вероятность его распада по данному каналу, определяется как, η_i = Γ_i / Γ, Γ_i – парциальная полуширина (Γγ – радиационная полуширина, Γ_n – нейтронная и т.д.), Γ – полная полуширина уровня на половине его высоты, Γ = Γ_γ + Γ_n +... – полная полуширина резонансного уровня и его составляющие (парциальные ширины).

В настоящее время известно, что не все наблюдающиеся на опыте реакции можно объяснить при помощи боровского механизма образования и распада промежуточного ядра.

Изучение выхода, энергетического спектра и углового распределения продуктов некоторых ядерных реакций, идущих под действием частиц с энергией, превышающей десятки МэВ, привело к результатам, которые противоречат боровской концепции.

Так, например, угловое распределение не упруго рассеянных быстрых нейтронов на свинце обнаруживает асимметрию вперед (в с.ц.и.), которую нельзя объяснить механизмом образования промежуточного ядра. Аналогичные результаты наблюдаются и для реакций с тяжелыми ионами. Соответственно в этих случаях энергетический спектр вылетающих частиц отличается от максвелловского (каким он должен был бы быть в случае справедливости боровской концепции) избытком быстрых частиц.

Совершенно необычно с точки зрения Боровского механизма протекают многие реакции под действием дейтронов, для которых этот механизм не позволяет объяснить ни функцию возбуждения, ни угловое распределение вылетающих частиц.

Очень интересные результаты были получены при сравнении реакций ₇N¹⁴(n,a)₅B¹¹ и ₇N¹⁴(n,p)₆C¹⁴. Эти обе реакции идут с образованием одного и того же промежуточного ядра ₇N¹⁵, т.е. протекают по Боровскому механизму. Вместе с тем детальное исследование этих реакций при энергии нейтронов 2-4 МэВ показало, что первая реакция имеет в 30 раз больший выход, чем вторая. Этот результат не согласуется с боровской концепцией, по которой из возбужденного промежуточного ядра с наибольшей вероятностью должны испускаться нуклоны. Таким образом, рассматриваемые реакции могут идти не только через стадию образования промежуточного ядра, но и как-то иначе.

Для объяснения всех этих особенностей протекания ядерных реакций был предложен другой механизм, получивший общее название прямого ядерного взаимодействия. Происхождение этого названия связано с тем, что в реакциях прямого взаимодействия переход от начального состояния ядра к конечному осуществляется прямо, непосредственно, т.е. без промежуточного этапа образования составного ядра.

В соответствии с этим механизмом взаимодействие быстрого нуклона с ядром следует рассматривать как двухчастичное взаимодействие падающего нуклона с одним или несколькими нуклонами ядра-мишени. Понятно, что в результате такого процесса рассеянный нуклон должен лететь преимущественно вперед.

Прямое взаимодействие двух ядер происходит путем передачи одного или нескольких нуклонов от одного ядра к другому.

Типичная реакция прямого взаимодействия – это реакция срыва, когда налетающей частицей является, например, дейтрон. При попадании одного из нуклонов дейтрона в область действия ядерных сил он будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон дейтрона окажется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически реакцию срыва записывают как (d,n) или (d,p).

При бомбардировке ядер сильно взаимодействующими частицами с очень высокой энергией (от нескольких сотен МэВ и выше) ядра могут «взрываться», распадаясь на множество мелких осколков. При регистрации такие взрывы оставляют след в виде многолучевых звезд.

Если бомбардирующая частица представляет собой достаточно сложное ядро (в настоящее время на ускорителях можно получать ионы многих легких элементов, включая ₁₀Ne), то процессы передачи становятся весьма разнообразными, так как в них могут участвовать целые ядра (например, ₂He⁴, ₁H³) или группы нуклонов (например, 2-3 p или 2-3 n). Кроме того, становится возможным (запрещенный для дейтрона законом сохранения изотопического спина) процесс взаимного обмена разными нуклонами между бомбардирующим ядром и ядром-мишенью.

Изучение реакции прямого взаимодействия очень важно с точки зрения ядерной спектроскопии, так как прямой переход от начального состояния ядра к конечному (без образования составного ядра) упрощает задачу определения параметров одного из них по известным характеристикам другого (нет необходимости учитывать характеристики возбужденного промежуточного ядра).