Большая Советская Энциклопедия (ЯД) - БСЭ БСЭ

Ядерные оболочки

Я'дерные оболо'чки . Согласно оболочечной модели ядер каждый нуклон в ядре находится в определённом квантовом состоянии, причём в каждом состоянии с данной энергией (энергетическом уровне) может находиться не более чем (2j + 1) нуклонов, образующих Я. о. (j — спин нуклона). Ядра, у которых нуклонные Я. о. целиком заполнены, называются магическими. Подробнее см. Ядро атомное , Магические ядра .

Ядерные реакции

Я'дерные реа'кции , превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, g-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние ~ 10-13 см. Энергия налетающих положительно заряженных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядер (для однозарядных частиц ~ 10 Мэв ). В этом случае Я. р., как правило, осуществляются бомбардировкой веществ (мишеней) пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.

  Я. р. записывают в виде: A (a , bcd )B , где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица, в , с , d — испускаемые частицы, В — остаточное ядро (в скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — наиболее тяжёлые). Часто Я. р. может идти несколькими способами, например:

  63 Cu (р, n) 63 Zn, 63 Cu (р, 2n) 62 Zn, 63 Cu (р, pn) 62 Cu, 63 Cu (p, р) 63 Cu, 63 Cu (р, p') 63 Cu.

  Состав сталкивающихся частиц называется входным каналом Я. р., состав частиц, образующихся в результате Я. р., — выходным каналом.

  Я. р. — основной метод изучения структуры ядра и его свойств (см. Ядро атомное ). Однако роль их велика и за пределами физики: реакции деления тяжёлых ядер и синтеза легчайших ядер лежат в основе ядерной энергетики . Я. р. используются как источник нейтронов, мезонов и других нестабильных частиц. С помощью Я. р. получают свыше тысячи радиоактивных нуклидов, применяемых во всех областях науки, техники и медицины.

  Исследования Я. р. включают идентификацию каналов реакции, определение вероятности их возбуждения в зависимости от энергии бомбардирующих частиц, измерение угловых энергетических распределений образующихся частиц, а также их спина , чётности , изотопического спина и др.

  Я. р. подчиняются законам сохранения электрического заряда, числа нуклонов (барионного заряда ), энергии и импульса. Закон сохранения числа нуклонов означает сохранение массового числа А. Я. р. могут протекать с выделением и с поглощением энергии Q , которая в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при реакциях химических . Поэтому в Я. р. можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Энергия Q , выделяемая или поглощаемая при Я. р., равна разности сумм масс частиц (в энергетических единицах) до и после Я. р. (см. Относительности теория ).

  Эффективное сечение Я. р. — поперечное сечение, которое нужно приписать ядру с тем, чтобы каждое попадание в него бомбардирующей частицы приводило к Я. р. (см. Эффективное поперечное сечение ). Эффективные сечения Я. р. (7 зависят от энергии бомбардирующих частиц, типа реакции, углов вылета и ориентации спинов частиц — продуктов реакции (s ~ 10-27 — 10-21 ). Максимальное сечение Я. р. определяется геометрическими сечениями ядер sмакс = pR2 , если радиус ядра R больше, чем длина волны де Бройля частицы . Для нуклонов , когда их энергия x »10/A2/3 . В области малых энергий  и сечение Я. р. определяет уже не R , а , например для медленных нейтронов . В промежуточной области энергий .

  Выход Я. р. — отношение числа актов Я. р. к числу частиц, упавших на 1 см2 мишени. Для тонкой мишени и однородного потока частиц выход Я. р. W = n s, где n — число ядер на 1 см2 мишени. Заряженные частицы, ионизируя атомы мишени, теряют энергию и останавливаются. Их пробег в мишенях порядка мкм или см в зависимости от энергии. В результате выходы Я. р. также малы (10-3 — 10-6 ). Для Я. р. с частицами высоких энергий выход больше. Для частиц, которые могут вызывать Я. р. при любой энергии (нейтроны, p-мезоны), выход при достаточно больших мишенях может достигать 1.

  Продукты Я. р. образуются в небольшом количестве: для ускоренных налетающих частиц порядка нескольких мг в час; в мощных ядерных реакторах (Я. р. под действием нейтронов) — нескольких г в час. Концентрация получаемых продуктов, как правило, мала. Для их выделения и идентификации используются методы радиохимии и масс-спектрометрии. Регистрация продуктов Я. р. осуществляется детекторами ядерных излучений .

  Механизмы Я. р . Налетающая частица, например нуклон, может войти в ядро и вылететь из него под другим углом, но с той же энергией (упругое рассеяние). Нуклон может столкнуться непосредственно с нуклоном ядра; при этом, если один или оба нуклона имеют энергию, большую, чем энергия, необходимая для вылета из ядра, то они могут покинуть ядро без взаимодействия с другими его нуклонами (прямой процесс). Существуют и более сложные прямые процессы, при которых энергия налетающей частицы передаётся непосредственно одному или небольшой группе нуклонов ядра (см. Прямые ядерные реакции ). Если энергия, внесённая влетевшей частицей, постепенно распределится между многими нуклонами ядра, то ядерные состояния будут становиться всё более и более сложными, однако через некоторое время наступит динамическое равновесие — различные ядерные конфигурации будут возникать и распадаться в образовавшейся системе, называемой составным ядром . Составное ядро неустойчиво и через короткое время распадается на конечные продукты Я. р. Если в некоторых конфигурациях энергия одного из нуклонов окажется достаточной для его выброса из ядра, то составное ядро распадается с испусканием нуклона. Если же энергия сосредоточивается в некоторых группах частиц, существующих в составном ядре короткое время, то возможно испускание альфа-частиц , тритонов , дейтронов и др. При энергиях возбуждения составного ядра, меньших энергии отделения от него частиц, единственный путь его распада — испускание g-квантов (радиационный захват ). Иногда выброс частиц происходит до того, как установилось равновесие, т. е. до образования составного ядра (механизм предравновесного распада).

  Различные механизмы Я. р. отличаются разным временем протекания. Наименьшее время имеет прямая Я. р. Это время, которое необходимо частице, чтобы пройти область пространства, занимаемую ядром (~ 10-22 сек ). Среднее время жизни составного ядра значительно больше (до 10-15 — 10-16 сек ). При малых энергиях налетающих частиц основным механизмом Я. р., как правило, является образование составного ядра (за исключением Я. р. с дейтронами). При больших энергиях преобладают прямые процессы.

  Характер зависимости эффективных сечений Я. р. s от энергии x налетающих частиц s(x) различен для разных механизмов Я. р. Для прямых процессов зависимость s(x) имеет монотонный вид. В случае Я. р., идущих с образованием составного ядра, при малых энергиях частиц в s(x) наблюдаются максимумы, которые соответствуют уровням энергии составного ядра. В области больших энергий (x ³ 15 Мэв для средних и тяжёлых ядер) уровни энергии составного ядра перекрываются и сечение монотонно зависит от энергии. На этом фоне выделяются более широкие максимумы, соответствующие возбуждению изобар-аналоговых состояний (состояний ядра, у которых изотопический спин больше, чем в основном состоянии), а также т. н. гигантские резонансы. Эти более широкие максимумы соответствуют уровням ядра, образующимся при слиянии ядра с налетающей частицей; они имеют более простую структуру, чем уровни составного ядра. Время жизни т возбуждённого ядра связано с полной шириной Г наблюдаемых максимумов соотношением:  ( — Планка постоянная ).