«Фотоядерные реакции»

ядерный фотоэффект, поглощение атомными ядрами γ-квантов с испусканием протонов р, нейтронов n или более сложных частиц. Наиболее изучены Ф. р. (γ, р) и (γ, n), известны также реакции (γ, d), (γ, pn), (γ, d) и др. Для вырывания из атомного ядра протона или нейтрона (нуклонов) энергия γ-кванта E_γ должна превышать энергию связи нуклона в ядре. Сумма эффективных поперечных сечений (См. Эффективное поперечное сечение)всевозможных Ф. р. называется сечением поглощения γ-кванта ядром. Для всех ядер (за исключением очень лёгких) сечение σ_γ при малых и больших энергиях γ-кванта мало, а в середине имеется высокий широкий максимум, называемый гигантским резонансом (рис. 1).

Положение гигантского резонанса монотонно уменьшается с ростом массового числа А ядер от 20–25 Мэв в лёгких ядрах до 13 Мэв в тяжёлых. Зависимость энергии Е_m, соответствующей вершине резонанса, от А описывается формулой: Е_m= 34 А ^-1/6. Ширина резонанса Г Фотоядерные реакции 4–8 Мэв; она минимальна у магических ядер (См. Магические ядра)–Г (²⁰⁸Pb) = 3,9 Мэв, и максимальна у деформированных ядер – Г (¹⁶⁵Но) = 7 Мэв. В области гигантского резонанса кривая поглощения не является монотонной, а имеет определённую структуру. У деформированных ядер это двугорбая кривая (рис. 2, а). У лёгких и средних ядер и у некоторых тяжёлых ядер наблюдается несколько максимумов шириной в сотни кэв (рис. 2, б). Распределение фотонейтронов по энергии в области резонанса близко к максвелловскому (см. Максвелла распределение). Вместе с тем есть отклонения: большим оказывается число нейтронов в высокоэнергетической области спектра. Распределение фотопротонов в большинстве случаев не является максвелловским.

Гигантский резонанс связывают с возбуждением γ-квантами собственных колебаний протонов относительно нейтронов (дипольные колебания). Нуклоны могут покидать ядро непосредственно в процессе дипольных колебаний, но могут испускаться и после их затухания. Упорядоченные колебания нуклонов постепенно переходят в весьма сложное «тепловое» движение. В результате образуется возбуждённое Составное ядро, из которого «испаряются» протоны или нейтроны. Ширина Г гигантского резонанса определяется «временем жизни» дипольных колебаний. При энергии γ-квантов, превышающей энергию гигантского резонанса, поглощающие γ-квант нуклоны, как правило, быстро покидают ядро, дипольные колебания не возникают (ядро не успевает «раскачаться») и механизм Ф. р. является «прямым» (см. Прямые ядерные реакции; например, при E_γ ≥ 70 Мэв механизм поглощения γ-квантов становится двухнуклонным). Наряду с дипольными колебаниями в ядре могут возбуждаться квадрупольные, октупольные и др. типы колебаний, но их роль в Ф. р. не существенна. Иногда Ф. р. называются процессы, в которых γ-кванты высокой энергии (Фотоядерные реакции 1,5․10^-8эв), поглощаясь ядрами или отдельными нуклонами, вызывают рождение пи-мезонов (См. Пи-мезоны) (например, γ + p → n + π^-; γ + р → р + π⁰) и др. элементарных частиц.

Лит.: Айзенберг И. М., Грайнер В., Механизмы возбуждения ядра, пер. с англ., М., 1973; Широков Ю. М., Юдин Н. П., Ядерная физика, М., 1972; Левинджер Д ж., Фотоядерные реакции, пер. с англ., М., 1962.

Н. П. Юдин.

Рис. 1. Гигантский резонанс.

Рис. 2. Тонкая структура гигантского резонанса: а — для деформированных ядер, б — для сферических ядер.

ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ (ядерный фотоэффект) - ядерные реакции, вызываемые ?-квантами.

ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

расщепление g-квантами атомных ядер. Типичными Ф. р. являются реакции (g, n), (g, р), (g, 2n), (g, pn). Менее вероятны процессы с вылетом сложных частиц — дейтронов, a-частиц и т. д. В делящихся ядрах (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА) с большой вероятностью идёт реакция фотоделения (g, f). При энергиях g-квантов, меньших порога вылета частиц, происходит упругое (g, g) и неупругое (g, g') рассеяния фотонов; при энергиях, больших порога рождения мезонов, наряду с расщеплением ядра протекают процессы фоторождения (напр., пионов). Ф. р., как и любые ядерные реакции, характеризуются эффективным сечением а поглощения g-квантов, зависящим от энергии g-кванта?g. Особенностью зависимости s(?g) является т. н. гигантский резонанс (рис.) — большой максимум с шириной порядка неск. МэВ, расположенного у лёгких ядер (12С, 16О) в области?g —20—25 МэВ, у средних и тяжёлых — в области 13—18 МэВ. Гигантский резонанс связывают с возбуждением g-квантами одной из коллективных степеней свободы ядра — дипольных колебаний протонов относительно нейтронов.

Зависимость сечения sg поглощения g-квантов ядрами от энергии?g g-квантов;м— энергия максимума, t — ширина Г. р.

ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

- ядерные превращения, идущие при поглощении g-квантов ядрами. К Ф. <р. относится также процесс рассеяния g-квантов. Энергетич. зависимость полного сечения поглощения g-квантов разл. ядрами, отнесённого к одному нуклону s/ А (А - число нуклонов в ядре), приведена на рис. Сплошной линией показано полное сечение поглощения g-кванта свободным протоном в зависимости от энергии g-кванта . Ф-цию s() принято разбивать на 4 области в зависимости от доминирующего механизма поглощения g-квантов. Первая - область гигантского дипольного резонанса (ГР). Осн. механизм поглощения g-квантов в этой области связан с поглощением g-кванта одним нуклоном, приводящим к возбуждению собственных дипольных колебаний протонов относительно нейтронов. В лёгких ядрах максимум ГР приходится на область энергий от 20 до 25 МэВ. С ростом А максимум сдвигается в сторону меньших энергий. В тяжёлых ядрах он расположен в районе 13 МэВ. Наряду с дипольными колебаниями в ядре могут возбуждаться квадрупольные, октупольные и др. типы колебаний, но их роль в Ф. р. менее существенна (см. Гигантские резонансы).

Процесс дипольных колебаний завершается в осн. вылетом нуклонов. В лёгких ядрах это протоны и нейтроны. С меньшей вероятностью вылетают легчайшие ядра - дейтерия, трития,³ Не и ⁴ Не (a-частицы). Заметную долю составляют события, в к-рых наблюдается вылет неск. заряж. частиц, что особенно характерно для изотопов Li, Be и их ближайших соседей. По мере увеличения атомного номера Z ядра интенсивность всех каналов, за исключением нейтронного, ослабевает. В области актини-дов наряду с испусканием нейтронов происходит деление ядра (см. Деление ядер).

После поглощения g-квантов лёгкими ядрами нуклоны вылетают непосредственно в процессе дипольных колебаний. По мере увеличения А усиливается роль последовательных столкновений нуклона, поглотившего g-квант, с остальными нуклонами ядра. В результате этого нуклоны покидают ядро уже не на начальной, а на предрав-новесной стадии реакции, а в тяжёлых ядрах - в значит. степени и в равновесной стадии. Вследствие этого распределение фотонуклонов по энергии в области гигантского резонанса близко к максвелловскому. Отклонение от этого распределения наблюдается для фотонейтронов в высоко-энергетич. части спектра.

Вторая область начинается на "хвосте" гигантского резонанса и простирается до порога рождения пионов. Одно-нуклонный механизм поглощения g-квантов постепенно переходит в двухнуклонный, когда g-кванты начинают поглощаться преим. нейтрон-протонной парой, имеющей те же квантовые числа, что и дейтрон. Поэтому эта область получила назв. к в а з и д е й т р о н н о й (КД). Сечение поглощения пропорц. величине NZ/A (N- число нейтронов в ядре-мишени, Z-число протонов), т. е. числу таких пар нуклонов. Квазидейтронный механизм поглощения у-кван-тов связывается с проявлением в ядре т. <н. двухчастичных обменных токов (когда процесс проходит на мезоне, к-рым обмениваются нуклоны, или в промежуточном состоянии виртуально образуется D-изобара), а также двухчастичных нуклонных корреляций короткодействующего характера.

Нуклон, поглотивший g-квант, получает достаточно большую энергию, к-рая позволяет ему покинуть ядро, не сформировав промежуточного состояния. При основным является канал с вылетом одного быстрого нуклона. Выше 100 МэВ осн. вклад в полное сечение приходится на канал с вылетом двух быстрых нуклонов.

В третьей области энергии за порогом образования пиона и до 2 ГэВ длина волны у-кванта становится порядка размеров нуклона и взаимодействие происходит в осн. с одним нуклоном. В сечении фотопоглощения на свободном нуклоне чётко проявляются 3 пика, отвечающие возбуждению D (1232 МэВ)-изобары и двух частиц-резонан-сов-N*(1520 МэВ) и N**(1680 МэВ). В том случае, когда у-квант поглощается нуклоном, находящимся в ядре, пик, связанный с образованием D-изобары, проявляется столь же чётко, тогда как 2 остальных сильно уширяются. Такое "размытие" пиков во многом обусловлено движением нуклонов в ядре. В области возбуждения D-изобары характерно универсальное для всех ядер сечение - отношение s/A (в пределах точности измерений) одинаково для всех ядер от Be до U. Это свидетельствует о том, что свойства свободной D-изобары не сильно изменяются в ядре.

Осн. каналами расщепления ядер в этой области энергии являются каналы с вылетом неск. нуклонов. В ядрах с А>200 после вылета неск. нуклонов происходит деление. Обычно расщепление ядер сопровождается вылетом пиона. С меньшей вероятностью идут процессы образования мезонов с малой передачей энергии ядру, когда оно остаётся в связанном состоянии.

Когда энергия g-кванта превышает 2 ГэВ (четвёртая область), в энергетич. зависимости исчезает всякая структура. Само сечение оказывается слабо зависящим от энергии. Аналогично ведёт себя и полное сечение взаимодействия адронов с ядрами. Различие состоит только в том, что сечение поглощения g-квантов меньше адрон-ного на пост. величину, пропорциональную константе электромагнитного взаимодействия. Такое поведение сечения нашло объяснение в рамках т. <н. модели в е к т о р н о й д о м и н а н т н о с т и, согласно к-рой в этой области энергий g-квант ведёт себя как векторные мезоны (см. Векторной доминантности модель). Одним из следствий такого поведения у-кванта является то, что при его взаимодействии с ядром не все нуклоны оказываются равноправными, часть из них оказывается заэкранированной. Это означает, что зависимость полного сечения поглощения от А должна иметь вид A^a где a<1 ( в эксперименте величина При дальнейшем росте "точечный" g-квант взаимодействует с кварками нуклона.

Лит.: Барашенков В. С., Тонеев В. Д., Взаимодействия высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами, М., 1972; Giannini М. М., Riccо G., Photoreactions above the giant-dipole-resonance, "Riv. Nuovo Cim.", 1985, v. 8, p. 1; Недорезов В. Г., Ранюк Ю. Н., Фотоделение ядер за гигантским резонансом, К., 1989; Int. Rev. of Nuclear Phys., v. 7, Singapore, 1991.

P. А. Эрамжян.