Развитие ядерной физики в большой степени определяется
исследованиями в такой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того,
как Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию, до появления первой модели ядерной
реакции прошло довольно много лет. -Частицы
от радиоактивных источников могли эффективно преодолеть кулоновский барьер только
на самых легких ядрах. С появлением ускорителей ситуация радикально изменилась,
теперь можно было бомбардировать ядра не только
-частицами.
Повысились энергии и интенсивности пучков частиц.
Первая
модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это была модель Оппенгеймера - Филлипса,
предложенная для интерпретации реакции (d,p) при низких энергиях.
Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгое время был
связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая была предложена в
1936 году Н. Бором для объяснения резонансной структуры сечений захвата нейтронов
и протонов низких энергий атомными ядрами. Ширина этих резонансов была очень небольшой
(~0.1 эВ) и они располагались близко друг к другу. Возникновение таких узких
резонансов можно понять, если предположить, что из-за сильного взаимодействия
между нуклонами кинетическая энергия налетающей частицы быстро перераспределяется
между все большим количеством нуклонов. В результате образуется равновесная система,
так называемое составное-ядро. Из-за того, что энергия в составном ядре статистически
распределена между многими нуклонами вероятность того, что один из нуклонов будет
иметь энергию, достаточную для вылета из ядра мала, а время жизни такого ядра
велико (10-14 - 10-18 с). Эмиссия из такой системы
определяется константами движения и геометрическими параметрами всего составного
ядра как целого и не зависит от способа его образования (гипотеза независимости
Бора), то-есть сечение реакции может быть факторизовано
,
где
- сечение образования составного ядра, Гb - ширина распада составного
ядра по каналу b, Г - полная ширина распада составного ядра
Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила феноменологическая
модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937 году. В 30-50-х годах
на основе "первых принципов" развивалась формальная теория ядерных реакций.
Различные варианты формальной теории не содержали конкретных физических предположений
таких, например, как гипотеза независимости, и в принципе могли описывать различные
механизмы ядерных реакций. Однако применение их для практических расчетов было
связано с большими трудностями. Тем не менее развитые в этих работах подходы позволили
глубже понять физику процессов, происходящих в ядре и были использованы при создании
моделей.
К началу 50-х годов создание последовательной
теории реакций, идущих через составное ядро, было в основном завершено. С помощью
теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальных
данных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав в ядро,
должна поглотиться (модель "черного" ядра), т.е. одночастичное движение
должно полностью затухнуть. Однако начали появляться экспериментальные данные,
которые свидетельствовали, что одночастичное движение не затухает полностью.
![]() Рис. 9. Экспериментальные данные по упругому рассеянию протонов и результаты расчетов по оптической модели |
Для описания усредненного поведения сечений Г. Фешбах, К. Портер и В. Вайскопф в 1954 году предложили оптическую модель, которая получила свое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением света через полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядро может быть описано комплексной потенциальной ямой
U(r) = V(r) + iW(r),
где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего
пучка.
Успехи оптической модели в описании упругого рассеяния
(см. рис.9) привели к пониманию механизма протекания прямых ядерных реакций, в
принципе отличающегося от механизма протекания ядерных реакций через составное
ядро. Малая величина мнимой части оптического потенциала, полученного из эксперимента
(несколько МэВ) указывает на довольно большую длину свободного пробега нуклона
в ядре. Таким образом, существует заметная вероятность того, что налетающий нуклон
испытает одно взаимодействие с нуклоном ядра мишени, после чего один из этих нуклонов
покинет ядро. Первая модель для описания прямых механизмов в реакциях (d,p) была
предложена в 1950 году Батлером. Предполагая поверхностный характер реакции, можно
с помощью простых квазиклассических соображений объяснить появление максимумов
в угловых распределениях. Такие максимумы должны появляться при углах, для которых
выполняется условие
l = qR,
где l - переданный ядру орбитальный момент, q - переданный импульс, R - радиус ядра. В середине 50-х годов для описания прямых механизмов был развит метод искаженных волн (МИВ), который можно рассматривать как обобщение оптической модели на неупругие каналы. В МИВ используется то, что в прямых реакциях налетающая частица передает свою энергию и импульс небольшому числу степеней свободы ядра. Это позволяет получить приближенное решение многочастичного уравнения Шредингера, используя теорию возмущения. Полный гамильтониан системы записывается в виде
H = H0 + Hост,
где H0 - гамильтониан системы из двух частиц, взаимодействие между которыми описывается оптическим потенциалом Vопт, Hост - гамильтониан остаточного взаимодействия, который рассматривается как малое возмущение, переводящее систему в конечное состояние. Процесс ядерной реакции разбивается на 3 этапа.
Модели прямых ядерных реакций использовались в основном для описания жесткой части энергетических спектров продуктов реакций, которая связана с возбуждениями изолированных состояний конечных ядер (рис.10).
![]() |
Модели, использующие концепцию составного ядра претендовали на описание непрерывного спектра. Действительно, в спектрах вылетающих частиц при энергиях ускоряемых ионов, достижимых в обычных циклотронах, непосредственно за областью дискретных пиков начиналось характерное для процесса испарения непрерывное распределение. Однако по мере увеличения энергий ускоряемых ионов, в основном связанном со строительством изохронных циклотронов (Развитие ускорительной техники происходило так, что от циклотронов, ускоряющих, например, протоны до энергий ~10 Мэв сразу перешли к ускорителям на сотни МэВ. Область десятков МэВ долгое время была слабо исследована.), увеличивалась область между пиками, связанными с возбуждением дискретных состояний конечных ядер и испарительным распределением (см. рис.11), которую не могли адекватно описать существующие модели.
![]() Рис. 11. Спектры протонов из реакции 59Fe (p,p'), измеренные под углом 300 в л.с. при энергиях протонов 28.8 и 61.7 МэВ |
Высказывалось
предположение, что эта область спектра формируется в результате процессов происходящих
во время движения составной системы к равновесному состоянию - составному ядру.
После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметился экспоненциальный
рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных так называемым предравновесным
процессам. Сегодня предравновесные процессы делят на два класса: многоступенчатые
прямые процессы, в которых происходит эволюция открытых состояний, и многоступенчатые
компаунд-процессы, связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми
состояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя бы
один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых состояниях
все нуклоны находятся ниже энергии связи.
В реакциях с
тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был открыт новый тип
ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач. Специфика глубоконеупругих
передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных
ядер по сравнению с реакциями с легкими ионами. В основе этого взаимодействия
лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса
- двойной ядерной системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают
друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости
ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть
кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного
движения падает до нуля. Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения
ядер. Однако несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает
ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного
ядра в другое, однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые
коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении
минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра
оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и центробежные силы
превосходят силы притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая
сила невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано
значительное количество нуклонов. Более глубокое понимание механизма взаимодействия
двух сложных ядер помогает в поиске оптимальных способов синтеза экзотических
и сверхтяжелых ядер.
Распространение и поглощение позитронного излучения происходит также как и электронного излучения, но естественно в магнитном и электрическом полях позитроны отклоняются в противоположном направлении по сравнению с электронами. Для позитронов характерен малый срок жизни. Позитрон существует только тогда когда движется. Замедленный позитрон взаимодействует с ближайшим электроном среды, в результате чего образуются два -кванта с энергией 0,51 Мэв каждый, излучающихся в противоположных направлениях.