Фотоядерные реакции

Фотоядерными реакциями называют ядерные реакции под действием фотонов высокой энергии. Поскольку атомные ядра могут испускать γ-кванты, они должны и поглощать их. Примером фотоядерных реакций могут служить реакции типа (g,n) и (g,р). Эти реакции часто называют ядерным фотоэффектом из-за наличия энергетического порога Е₀, как и у атомного фотоэффекта. Так же как и атомы, которые могут, как испускать, так и поглощать фотоны, ядра, имеющие в своем составе больше одного нуклона, не являются исключением. Поглощение кванта энергии вызывает увеличение энергии ядра. Такое состояние является относительно долгоживущим и обладает всеми свойствами составного ядра. Распад такого составного ядра может происходить двумя путями. Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона, то в конце концов будет испущен g-квант. В том же случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи одного из нуклонов, возможен вылет из ядра нуклона, т.е. происходит ядерная реакция. Энергетический порог этих реакций, подобно красной границе фотоэффекта для атомов, определяемой энергией связи электрона в атоме, определяется энергией связи нуклонов в ядре и равен ~ 8 Мэв.

Так как энергия g-квантов естественных радиоактивных элементов не превышает 3 МэВ, то фотоядерные реакции под действием g-квантов естественных источников можно наблюдать только на ядрах, у которых энергия связи (отделения) нуклона составляет ~ 2 МэВ. Первую фотоядерную реакцию наблюдали в 1932 г. Гольдхабер и Чедвик:

, ,

(4.8.1)

которую стали называть реакцией фоторасщепления дейтона. Эта реакция идет без образования составного ядра, так как дейтон не имеет возбужденных состояний.

Впоследствии наблюдалась еще одна реакция под действием g-квантов естественных радиоактивных источников:

.

(4.8.2)

У всех остальных ядер минимальная энергия отделения нуклона существенно превосходит энергию g-квантов естественных радиоактивных источников и для осуществления фотоядерных реакций и систематического изучения их свойств необходимо получать фотоны заданной энергии. Получение фотонов больших энергий стало возможным после создания ускорителей электронов большой энергии. Торможение электронов большой энергии в мишенях из материалов с большими Z (W,Pb, U) вызывает появление жесткого тормозного рентгеновского излучения. Энергетический спектр квантов такого излучения непрерывен (рис.6.8.1) до границы, определяемой энергией электронов Е_е, что создает трудности при исследовании зависимости выхода фотоядерных реакций от энергии. Но измеряя интегральные выходы от излучений с близкими граничными энергиями (Е_е)₂и(Е_е)₁, определяют разностный эффект для малой области энергий вблизи заданного значения энергии фотонов (рис. 6.8.1).

Было установлено, что на ядрах с А < 100 фотоядерные реакции (g,n) и (g,р) идут с образованием составного ядра, о чем свидетельствовало изотропное распределение вылетающих нейтронов и протонов. Однако для реакций (g,р) на ядрах с А > 100 было обнаружено, что угловое распределение протонов с максимальной энергией не является изотропным, а наблюдается вылет преимущественно в направлении 90˚ к пучку квантов тормозного излучения. Выход протонов был слишком велик (~ в 100 раз) по сравнению с выходом, который предсказывает модель составного ядра. Объяснить эти факты оказалось возможным, если предположить, что имеет место механизм прямого вырывания периферийных протонов из ядра электромагнитным полем g-квантов. Колебания вектора электромагнитного поля g-квантов происходят в плоскости, перпендикулярной вектору импульса, а максимальная энергия, которую может иметь протон составляет

где S_p – энергия отделения протона.

В отличие от реакции (γ,p), реакция (g,n) протекает всегда с образованием составного ядра.

Детальное изучение поведения сечения реакций (g,n) и (g,р) от энергии γ-квантов, позволило установить, что для всех ядер сечения s(Е_g) возбуждения фотоядерных реакций (рис. 6.8.2) имеют в области 10 ÷ 20 МэВ очень широкий резонанс (Г ~ 5 ÷ 6 MэB), за что это явление получило название гигантского резонанса.

Например:

Реакция	(Еg )рез, МэВ	Г (МэВ)	smax, мбарн
	19,2	4,7
	17,5	6,0
	15,0	6,0
	13,0	6,0

Приближенно экспериментальная зависимость (Е_g)_рез от массового числа может быть интерпретирована следующим выражением:

Явление гигантского резонанса можно объяснить, если предположить, что вся совокупность протонов ядра совершает коллективные колебания под действием электромагнитного поля g-квантов. Максимум в сечении должен наблюдаться тогда, когда частота собственных колебаний протонов ядра совпадает с частотой g-кванта (E_g = ), находящегося в непосредственной близости от ядра. В области энергий 10 - 20 МэВ g-кванты имеют длину волны (см. (3.6.4))

см,

(4.8.5)

что значительно больше, чем диаметр ядра. Поэтому все протоны попадает в электрическое поле электромагнитной волны одинаковой фазы. Под действием этого поля все протоны смещаются (рис.6.8.3) относительно нейтронов и возникают дипольные колебания. Частота таких колебаний

,

(4.8.6)

где k - коэффициент упругости сил поверхностного натяжжения, М - масса ядра. Возникновение поверхностных сил связано с действием ядерных сил между «оголенными» протонами и нейтронами вблизи поверхности ядра с оставшейся частью ядра. Поэтому коэффициент упругости должен быть пропорционален числу оголенных нуклонов, т.е. поверхности ядра. Следовательно,

,

(4.8.7)

что хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью (4.8.4).

Лучшее согласие с экспериментом достигается, если учесть не только колебания, вызванные действием поверхностных сил, но и линейное натяжение из-за действия ядерных сил при колебаниях протонов относительно нейтронов. Очевидно, что подобные колебания должны быть пропорциональны изменению линейных размеров ядра, т.е. в формуле (4.8.6) k ~ A^1/3. Поэтому частота линейных колебаний

.

(4.8.8)

Линейная суперпозиция частот (4.8.7) и (4.8.8):

дает хорошее согласие с экспериментальными значениями (Е_g)_рез = при соответствующем подборе коэффициентов a и b.

Позже у легких ядер была обнаружена тонкая структур гигантского резонанса, когда вместо одного широкого максимума на кривой зависимости σ(Е_γ) наблюдается несколько более узких максимумов. Объясняется тонкая структура одночастичными переходами нуклонов между уровнями нуклонных оболочек ядра при поглощении дипольных γ-квантов.