Строение и общие свойства атомных ядер Ядерные реакции Деление ядер

Для электрона в атоме электростатическое взаимодействие значительно сильнее взаимодействия с магнитными полями, достижимыми в лабораторных условиях. Атомные ядра представляют собой связанные квантовые системы фермионов. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. В настоящее время обнаружено ~ 3500 атомных ядер, представляющих собой различные сочетания чисел протонов Z и нейтронов N. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~6500.

Реакции под действием заряженных частиц

Реакции с заряженными частицами (протонами, a-частицами, дейтонами и другими ядрами) имеют характерные особенности, ненаблюдаемые в реакциях под действием γ-квантов и нейтронов.

1. Наличие электрического заряда у частицы и ядра-мишени вызывает между ними кулоновское отталкивание. Чтобы заряженная частица а и ядро-мишень А могли вступить в ядерное взаимодействие, она должна иметь кинетическую энергию Та, больше высоты кулоновского барьера Вk (см. (1.9.2)). В случае Вkазаряженная частица а может достичь области действия ядерных сил путем туннельного перехода сквозь кулоновский барьер (см. §3.4), но такой способ имеет малую вероятность, которая быстро уменьшается при уменьшении Та.

2. Даже если кинетическая энергия заряженной частицы при входе в мишень превышает высоту кулоновского барьера, это еще не означает, что она обязательно испытает ядерное взаимодействие и вступит в реакцию. При движении в мишени заряженная частица испытывает многократные столкновения с атомами, в результате которых кинетическая энергия частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов мишени. Энергия, теряемая заряженной частицей при движении в среде, составляет около 35 эВ в одном акте ионизации. В итоге кинетическая энергия Т(х) частицы становится тем меньше, чем больший путь она прошла до ядерного взаимодействия. Сечение ионизации атома sион ~ 10-16см2, тогда как типичное сечение ядерной реакции sреак ~ 10-24см2. Если начальная кинетическая энергия частицы 1 МэВ, то она испытает n  3×104 ионизационных взаимодействий, прежде чем остановится. Эффективное сечение процесса остановки (sион)ост sион /n≈ 3×10-21 см2, т.е. вероятность ядерной реакции оказывается в сотни раз меньше вероятности потерять энергию на ионизацию. Поэтому у подавляющей части заряженных частиц а кинетическая энергия становится меньше высоты кулоновского барьера, и они не могут эффективно взаимодействовать с ядром-мишенью А.

Рассчитаем выход ядерной реакции (см. §4.3) под действием заряженных частиц. Пусть на мишень падают заряженные частицы с плотностью потока Ф0 (рис. 4.6.1) и энергией Т0. Мишень считается толстой, если средний пробег R частиц меньше толщины мишени. Число реакций на единице площади мишени в слое dx на глубине x в единицу времени равно (см. (4.3.11))

.

(4.6.1)

Здесь нельзя пренебречь зависимостью s от х, так как энергия частиц меняется в зависимости от х. Однако плотность потока частиц в мишени практически не меняется, так как доля ядерных взаимодействий ничтожно мала, а в результате ионизационных процессов сами частицы не исчезают, а только уменьшается их энергия. Поэтому, вместо (4.6.1) можно записать:

.

(4.6.2)

Полное число реакций в мишени на единице площади в единицу времени получим, выполнив интегрирование (4.6.2) в пределах от 0 до R:

.

(4.6.3)

Учитывая, что T = T(x), произведем в (4.6.3) замену переменной х на переменную Т:

.

(4.6.4)

При записи (4.6.4) учтено, что функция удельных потерьэнергииdT/dx < 0.

Тогда по определению выход ядерной реакции под действием заряженных частиц равен

.

(4.6.5)

Зависимость Y(T0) - называется функцией возбуждения реакции.

Если экспериментально определить функцию Y(T), то из (4.6.5) следует, что

.

(4.6.6)

Если известна зависимость удельных потерь dT/dx от кинетической энергии заряженных частиц в веществе мишени, с помощью (4.6.6) можно определить зависимость сечения реакции от кинетической энергии бомбардирующих частиц:

.

(4.6.7)

Атомные ядра представляют собой квантовые системы нуклонов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий.

Спин, магнитный и электрический моменты ядер