Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 80
Текст из файла (страница 80)
За время свечения (секунды) в электромагнитное излучение переходит 10-20% энергии взрыва. Разреженный нагретый воздух, несущий поднятую с земли радиоактивную пыль, эа несколько минут достигает высоты 10-15 км. Далее радиоактивное облако расплывается на сотни километров. Ядерный взрыв сопровождается мощным потоком нейтронов н электромагнитного излучения.
Глава 9 Ядерные реакции % 1. Введение Любой процесс столкновения элементарной частицы с ядром или ялра с ядром будем называть ядерной реакцией. Наряду с ралиоактивным распадом ядерные реакции — основной источник сведений об атомных ядрах. Для записи ядерной реакции есть несколько способов. Наиболее наглядной и универсальной является запись, принятая в физике частиц: слева пишется сумма начальных частиц, затем ставится стрелка, указывающая направление течения процесса, после чего справа пишется сумма конечных продуктов реакции: а + А -~ Ь + В.
(9.1) Наряду с этим в ядерной физике часто используется форма записи, в которой сначала пишется ядро-мишень, затем в скобках налетающая частица и отлеленные запятой частицы, получающиеся в конце реакции. В конце пишется ядро-продукт. Реакция (9.1) в этой форме записи имеет внд А(а, Ь)В. Приведем примеры: р+ 81л - гНе+ гНе 7 ° 4 4 р+ 8О и+ 9Р 7+ гоСа- мК+р+ и 48 Зв илн з1-1(р, 248), или '80(17, и) зр, или гвСа(у, рп)пК. 40 зв В экспериментальных установках обычно более тяжелая из сталкивающихся частиц покоится, а более легкая на нее налетает.
Покоящаяся частица называется мишенью (или, если это ядро, ядром-мишенью). Налетающая частица в русском языке специального названия не получила (в английском языке употребляется термин рпззесгйе — снарял). В ускорителях на встречных пучках обе сталкивающиеся частицы движутся, так что разделение на мишень и пучок налетающих частиц теряет смысл. Отметим, что для самых легких ялер, участвующих в реакции, часто используются следующие эквивалентные обозначения: р зв ,'Н (протон), 4( ш гН (дейтрон), 8: — зН (тритон), т = зНе, а = "Не (альфа-частица).
407 Э 1. Введение При столкновении, например, протона с ядром,'0 могут происходить различные реакции (их называют каналами реакции): р+ Е1 — упругое рассеяние (упругий канал), 7 р+ Е1 — неупругое рассеяние, 7 р+ з1л1 7 неупругие каналы а+а+У, р+ а+,'Н, и т.д. Здесь 'Е1' означает возбужденное состояние ядра ~11. При упругом рассеянии налетающая частица и мишень не претерпевают каких-либо внутренних изменений и не появляются новые частицы. Возможность различных каналов реакции определяется частицей- снарядом, ее энергией и типом ядра-мишени. Сводка основных каналов реакций. вызываемых нейтроном, протоном, а-частицей и дейтроном на средних и тяжелых ялрах, дана в табл.
9.1. различным каналам реакции соответствуют различные эффективные сечения. Среди этих сечений особую роль играет сечение упругого рассеяния в„„ю Сумма сечений реакций по всем открытым неупругим каналам ви,„„е и сечении Упругого РассеЯниЯ в„„е называетсЯ полным еечеиием и обычно обозначается в,„м или в,. Таким образом, в, = вт„„+ вм„и . Взаимодействие любой частицы с ядром не может быть ограничено только неупругими каналами.
Всегда это взаимолействие сопровождается упругим рассеянием. Так волновая природа частиц неизбежно приводит к дифракционному рассеянию на ядре, которое по определению является упругим. Вернемся к табл.9.!. При самых низких энергиях частицы-снаряда возможно лишь упругое рассеяние. Если этой частицей является нейтрон, то его рассеяние будет упругим до тех пор, пока кинетическая энергия нейтрона не станет достаточной для образования составной ядерной системы «нейтрон + ядро-мишень» в первом возбужденном состоянии.
В средних и тяжелых ядрах эта энергия может быть довольно низкой— доли злектронвольта. При более высоких энергиях упругое рассеяние конкурирует с другими каналами реакции, причем с ростом энергии доля сечения, приходящаяся на упругое рассеяние, падает, так как «открывается» все большее число других (неупругих) каналов реакции, в том числе с вылетом из ялра двух, трех и более частиц. Если частица-снаряд заряжена, то ее упругое рассеяние ядром при низких энергиях является чисто кулоновским. В этом случае заряженная частица, находясь вне ядра-мишени, взаимодействует с ним как с целым внутренне неизменным заряженным телом. Заряженная частица может за счет электромагнитного взаимодействия вызвать возбуждение ялра, даже пролетая вне.его (не попадая в ядро).
Этот процесс, называемый куломовским возбузкдением, естественно, относится к неупругим каналам. 408 Глава 9. Ядерные реакции а $ а Са 3 Е аа ° ч а 4 ек % а 3 а" ч г'-а а 3 а а а ч а х а ьча а ох чач $3 ча ч а ,а ач» „а Ю а.а" а о с й 3 3 Б ч % И о х а о м а 8! к 3 а 3 у 3 % а 3 о а их о » х 2 а--на о а ч 3 Дй а а »с со 2 Ю а сс а а а а ос а 'с о Ос а х а а 1 Ю а ..й а.и а" а 3 а а а о" И 3 3 а а -он а ч а 3 3 а -»ч а о а аса ч аа 3 3 "»" ааао а ч»а а ° а а ек как на а о.
3 о. а а 3 к офц а а~ а о о ~ х ч. ао„ » «с со » хч В ач осс аа 'сс са 3 3 ч с а 3ВО оь" „ао Фа -а $ а ха ч а 3 аа ч »ах чак о ачь о. йч »'Е ка ч аа о афо ч ~а о к о а чача ~а х а а аак а а а »а а ч 409 в 1. Введение Кулововское возбуждение враалтельных состояний атомных ядер Ъъ ' ю' $ чч з~ св 555 еда 350 д,саад 555 С50 Кусгоиовское сюзбуждеиие врашательиык уровней ядра н"'гз ионами вгАг с энергией 182 МзВ.
Возбуждение снимается каскадом гамма-переходов Многие ядра имеют несферическую форму. Несферические ядра, облалаюшие осевой симметрией. имеют врашательную степень свободы, которая соответствует системе врашательных уровней. В тяжелых ядрах масса и размер ядра велики и даже при небольших деформациях вращательные уровни обычно являются наиболее низколежашими. В реакциях с тяжелыми ионами возможно кулоновское возбужаение ядра, при котором заселяются врашательныс состояния ядра-мишени с большими угловыми моментами Х При анализе ядерных реакций необходимо учитывать волновую приролу частиц, взаимодействуюших с ядрами. Волновой характер процесса взаимодействия частиц с ядрами особенно отчетливо проявляется при упругом рассеянии.
Так, для нуклонов с энергией !О МэВ их приведенная 4!О Гзава 9. Ядерные реакции дебройлевская длина волны Л меньше радиуса ядра, и при рассеянии возникает характерная картина чередования дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией О.! МэВ длина волны Л больше радиуса ядра и лифракпия — отсутствует. причем для нейтронов сечение становится практически изотропным (центральное дифракционное пятно равномерно распяыаается по всей области углов Π— ь80 ), а лля протонов трансформируется в не солер.кашее максимумов и минимумов сечение резерфордовского рассеяния.
ф 2. Законы сохранения в ядерных реакциях В физике ядерных реакций, как и в физике частиц, выполняются олни и те же законы сохранения. Сьни накладывают ограничения, или. как их называют, запреты, на характеристики конечных продуктов. Так, из закона сохранения электрического заряла следует„что суммарный заряд продуктов реакции должен равняться суммарному заряду исходных частиц.
Поэтому, например, в реакциях (р, и) электрический заряд ядра должен возрастать на единицу. Аналогично проявляется закон сохранения барионного заряда, действие которого для ядерных реакций при типичных (т. е. не слишком высоких) энергиях сводится к тому, что суммарное число нуклонов нс изменяется в результате реакции.
Важную роль в ядерных реакциях играют законы сохранения углового момента (момента количества движения) и четности. Сохранение углового момента в реакции А(а, Ь)В требует выполнения следуюшего равенства: г з + Хх + ! иь — — Уь +,Те + !Ьв (9.2) где 1 — спины участауьоших частиц н ядер, а ! — их относительные орбитальные моменты количества движения. Если налетаюшей частицей является фотон (а = т), то в левой части соотношения (9.2) слагаемое относительного углового момента (ть отсутствует, так как этот момент автоматически учитывается мультипольностью фотона (т.е.
входит в состав,Ут). Это же справедливо и для правой части соотношения (9.2), если реакция завершается вылетом фотона. Сохранение четности требует выполнение равенства (9.3) хаял(-!)" = яьяв(-!)'". Следует помнить, что в ядерных реакциях за счет слабых взаимодействий четность не сохраняется. Приведем пример на использование соотношений (9.2) и (9.3). Пример. Почему в реакции 'ьГ(р а) ьО, идущей через возбужденное ! е состояние промежуточного ядра зь!че не образуя>тся состояния Уе = Ое ядра но (рнс.9.!)т Ревьеняе.
Эта реакция происходят в результате сильного взаимодействия. 41! в 2. Заковы гохранеяия в ядерных реакциях О+ !аО лц в Рис. 9Л. Энергетическая анаграмма реакции нр(р, а)нО Реакция проходит в две стадии: р+ „à — — я каче'(1 ),Нс+,0(З ). н ! ак ч". з л !6 Из закона сохранения углового момента для 2-й стадии Зч» ' ув + уь+1 глс,ул — — О. !во —— З,Унл — — 1.
Для орбитального момента! относительного лви!кения ядра цО и а-частицы имеем 1 = 3+ ! и получаем ! =- 2, 3, 4. С лругой стороны, из закона сохранения четности имеем Р „= я, г о(-1)г, или + ! =(+»(-»(-»', (9.4) откупа остается лнцгь ! = 3. Переход в основное и первое возбужленное состояния нО (л е = О+) невозмо.кен. твк как в этих случаях ! = О+ О + ! и ! = 1.
Но тогда не выполняется закон сохранения четности (9.4): +1 4 (+!И+»(-1) =- — !. Опытным путем установлено, что в рассматриваемой реакции отношение вероятностей перехолов !" — О+ и !+ — 3 меньше 3 1О ", что является хоров!им подтверилсниеч справедливости закона сохранения четности в сильных взаимодействиях. Относительные угловые моменты 1, при которых в основном булет происходить реакция, зависят от импульса р налетаюшей частицы, Пусть масса ядра много больше массы налетаюшей частицы. Тогда квази- классический угловой момент ! частицы относительно ядра определяется соотношением й(=рЬ, где Ь вЂ” прицельный параметр (см. рис.9.2).
Глава 9. Ядерные реакции 4!2 Ряе.9.2. К пояснению понятия парииального сечения о, Максимальное значение 1,„этого момента, при котором частица попадает» в ядро, приблизительно равно р11 или Л 1ю»х Л' где Л = й/р. Поэтому, если импульс частицы мал (соответственно велика ее приведенная длина волны Л), то в реакции могут участвовать лишь частицы с низкич угловым моментом 1.
Так, например, если энергия нейтрона ниже О, ! МэВ, то ломинирует взаимодействие нейтронов с 1 = О (нейтронная е-волна). Если энергию нейтронов увеличить в !О раз, то наряду с в-волной в реакции с зачетной вероятностью начинает участвовать и р-волна (1 = !). Если энергия частицы достаточно велика. то в реакции могут участвовать частицы с большим набором орбитальных моментов от1=0до1 „„=12/Л. Оценим эффективное сечение о~ попадания в ядро частиц с опрслеленным 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
