Лекция 16. Ядериые реакции на заряженных частицах. 
Искусственная радиоактивность

Ядерные реакции на протонах и «-частицах.

Реакции под действием нейтронов, протонов и других тяжелых частиц во многом сходны между собой. Причина этого — одинаковый механизм: в большинстве случаев все они идут через стадии образования и распада составного ядра. Различие связано, главным образом, с зарядом бомбардирующих частиц. Положительный заряд сказывается на проницаемости кулоновского барьера, когда частица еще находится за пределами ядра, однако становится малосущественным для последующего распада, когда начинают действовать ядерные силы.

Влияние кулоновского потенциального барьера на сечение реакции можно установить, обратившись к следующему рассуждению в рамках классической механики. Кулоновское отталкивание уменьшает относительную кинетическую энергию системы от Г, когда частицы очень далеки друг' от друга, до Т — В, когда они соприкасаются {В — высота кулоновского барьера). Отклонение частицы от первоначального направления движения вследствие кулоновского отталкивания приводит к тому, что для осуществления реакции прицельный параметр должен быть меньше радиуса ядра R. Из рис. 16.1 видно, что при некотором максимальном прицельном параметре Ь," траектория частицы является касательной к поверхности ядра. Относительный импульс в точке соприкосновения определяется выражением

в котором fi — приведенная масса системы. Максимальное значение момента импульса получается тогда при перемножении радиуса взаимодействия и относительного импульса:

Замечая, что yj2f.iT представляет собой относительный импульс частиц,.

Рис. 16.1. Траектории заряженных частиц с прицельными параметрами R и b_m

удаленных друг от друга на бесконечное расстояние, получаем из (16.2) выражение для максимального прицельного параметра

Верхний предел для сечения захвата заряженных частиц выражается площадью диска радиусом.

Равенство (16.4) имеет смысл только в случае Т> В при меньших значениях Т кулоновский потенциал (конечно, лишь при классическом рассмотрении задачи) препятствует осуществлению ядерных реакций.^[1] Несмотря на приближенный характер, выражение (16.4) оказалось полезным для оценки сечения реакций, вызываемых заряженными частицами.

Общий вид функции возбуждения для реакции, идущей с образованием составного ядра, представлен на рис. 16.2. Рост сечения начинается либо от Т — О при Q > 0 либо от Т — Е_пор при Q < 0 и продолжается до Т~ В. Этот рост может быть монотонным или носить резонансный характер. При Т порядка В (если взаимодействие происходит в результате лобового столкновения) сечение достигает максимального значения, а затем уменьшается. Это происходит потому, что при больших энергиях возбуждения составного ядра появляются новые конкурирующие способы его распада, снижающие вероятность распада по данному каналу, гак как, согласно (16.4), сечение для всех каналов в сумме не превышает кВт.

Рис. 16.2. Функции возбуждения экзотермических (а) и эндотермических (б) ядерных реакций на заряженных частицах.

Реакции на протонах. Под действием ускоренных протонов возможны реакции (р, «), (р, л), (р, р'), (р, у) и с меньшей вероятностью — (р, d). Реакции (р, а) обычно экзотермические, поскольку удельная энергия связи в а-частице — более 7 МэВ на один нуклон. Они идут преимущественно на легких ядрах, так как вылет а-частиц из тяжелых ядер сильно затруднен кулоновским барьером.

Реакции (р, п), как правило, эндотермические, с пороговой энергией от 1 до 3 МэВ. В результате таких реакций заряд ядра увеличивается на единицу, поэтому продукт реакции чаще всего р⁺-радиоактивен. Рассеяние (р, р') при энергии протонов, превышающей высоту кулоновского барьера, идет примерно с той же вероятностью, что и реакция (р, п). Вероятность рассеяния протона (р, р') сравнима с вероятностью реакции (р, л), если его кинетическая энергия превышает высоту барьера.

Следует отметить, что кулоновское взаимодействие тяжелых заряженных частиц с ядрами вызывает не только упругое рассеяние, но может приводить и к неупругому рассеянию с кулоновским возбуждением ядра (без проникновения самой частицы в ядро). Кулоновское возбуждение затрагивает только самые нижние энергетические уровни.

При радиационном захвате протона (р, у) часто наблюдаются выраженные резонансные максимумы, как и при радиационном захвате нейтрона. Однако реакции (/7, у) характеризуется, как правило, гораздо меньшим сечением, так как радиационная ширина Г_;. меньше ширины Г_; для выброса составным ядром всех других частиц (/' = се, //, р). Поэтому реакции (/?, у) идут с заметным выходом лишь тогда, когда вылет любой другой частицы из ядра, но каким-то причинам затруднен.

Реакции (р, d) обычно эндотермические. Они встречаются реже остальных, так как дейтрон — слабо связанное ядро (удельная энергия — около 1,12 МэВ на нуклон), и нуклоны в дейтроне находятся на довольно большом среднем расстоянии друг от друга (порядка 4 фм).

Все перечисленные выше типы реакций имеют место при взаимодействии протонов с литием:

Изучение реакции ^?Li(р, 2а) (Коккрофт и Уолтон, 1932 г.) позволило экспериментально проверить и подтвердить одно из самых важных в ядерной физике соотношений: Е = тсV.

Реакции а-частиц. Сечения ядерных реакций, обусловленных захватом ачастиц с энергией до 1 МэВ, ничтожно малы даже при взаимодействии с самыми легкими ядрами. Однако они быстро возрастают с увеличением энергии. Под действием а-частиц идут преимущественно реакции (а, р) и (а, п). ачастицы, образующиеся при радиоактивном распаде, могут вызвать реакции только на легких ядрах (А < 50), когда высота кулоновского барьера не превышает 10 МэВ. В случае тяжелых ядер (А > 100) высота кулоновского барьера — более 20 МэВ. Когда энергия ускоренной а-частицы превышает это значение, реакции (а, р) и (а, п) идут практически с одинаковой вероятностью. При реакциях (а, р) чаще образуются стабильные ядра, а при реакциях (а, п) — радиоактивные. На примере (а, р) реакций на легких ядрах был впервые установлен резонансный характер изменения сечения реакции при изменении кинетической энергии бомбардирующих частиц.

При увеличении энергии бомбардирующих заряженных частиц до 15−25 МэВ становятся возможными реакции испарения нуклонов (н. 12.1): (р, 2//), (р, /7/7), (а, 2/;) и т. д. В области Т > 30 МэВ преобладают реакции с вылетом трех и более нуклонов. Обнаруживается также эмиссия дейтронов, тритонов (ядер трития) и гелия. При облучении мишеней с атомными номерами Z > 90 наиболее вероятной реакцией становится деление.

Были точно измерены массы частиц и их кинетические энергии.

Измеряя и сравнивая попарно функции возбуждения реакций С. Гошал в 1950 г. получил убедительное экспериментальное доказательство правильности теории составного ядра. Согласно этой теории, все приведенные выше реакции идут с образованием одного и того же составного ядра ^MZn. Тогда, в соответствии с формулой (11.11), сечение реакции «-частицы с ⁶⁰Ni с образованием продукта/

а сечение реакции протона с ⁶'Си с образованием того же продукта.

где о_а и о_р — сечения образования составного ядра ⁶⁴Zn при захвате а-частицы и протона; W (_aj) и W (pj) — вероятности его распада по соответствующему каналу. Так как последние не зависят от способа образования составного ядра, т. е. н>_(ли) = W (p, i), при одинаковых энергиях возбуждения имеем.

Таким образом, для любой из трех пар реакций отношение сечений должно быть одинаковым, что и наблюдалось в эксперименте Гошала.

• [1] С учетом квантовомеханического туннельного эффекта реакции возможны и при Т< В, однако ихсечения в этой области очень быстро стремятся к нулю с уменьшением энергии.