Ядерные реакции

превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние Ядерные реакции 10^-13 см. Энергия налетающих положительно заряженных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера (См. Потенциальный барьер)ядер (для однозарядных частиц Ядерные реакции 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:

⁶³Cu (р, n) ⁶³Zn, 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 (См. Ядерная энергетика). 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 (См. Чётность),изотопического спина (См. Изотопический спин)и др.

Я. р. подчиняются законам сохранения электрического заряда, числа нуклонов (барионного заряда (См. Барионный заряд)), 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 (См. Реакции химические).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 (σ Ядерные реакции 10^-27 — 10^-21 ). Максимальное сечение Я. р. определяется геометрическими сечениями ядер σ_макс = πR², если радиус ядра R больше, чем длина волны де Бройля частицы ƛ. Для нуклонов ξ10/A^2/3. В области малых энергий R, а ƛ, например для медленных нейтронов (См. Медленные нейтроны)

Выход Я. р. — отношение числа актов Я. р. к числу частиц, упавших на 1 см²мишени. Для тонкой мишени и однородного потока частиц выход Я. р. W = nσ, 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, π-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 (См. Радиохимия) и масс-спектрометрии. Регистрация продуктов Я. р. осуществляется детекторами ядерных излучений (См. Детекторы 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 (См. Составное ядро). 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 (См. Альфа-частицы),Тритонов,Дейтронов и др. При энергиях возбуждения составного ядра, меньших энергии отделения от него частиц, единственный путь его распада — испускание γ-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 (Ядерные реакции 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. σ от энергии ξ налетающих частиц σ(ξ) различен для разных механизмов Я. р. Для прямых процессов зависимость σ(ξ) имеет монотонный вид. В случае Я. р., идущих с образованием составного ядра, при малых энергиях частиц в σ(ξ) наблюдаются максимумы, которые соответствуют уровням энергии составного ядра. В области больших энергий (ξ ≥ 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: Γ=ħ/τ (ħ —Планка постоянная).

При распаде составного ядра конечное ядро может образовываться как в основном, так и в возбуждённых состояниях. Энергетический спектр продуктов распада составного ядра в области более высоких энергий состоит из отдельных линий, в области низких энергий вылетающих частиц имеет широкий максимум. Угловое распределение конечных продуктов (в системе центра масс) в резонансной области энергии симметрично относительно направления, образующего угол 90° с направлением налетающих частиц. В области энергии, где энергетические уровни составного ядра перекрываются, квантовые характеристики различных уровней составного ядра усредняются и угловое распределение испускаемых частиц оказывается, как правило, сферически симметричным.

Частицы — продукты Я. р., как правило, поляризованы. Поляризация возникает и в том случае, когда пучок бомбардирующих частиц не поляризован. Если же он поляризован, то наблюдается азимутальная асимметрия продуктов Я. р. (см. Поляризованные нейтроны, Ориентированные ядра).

Я. р. под действием нейтроновв большинстве случаев протекают с поглощением энергии Q. При Я. р. (n, p) для большинства ядер Q невелико (исключение составляют ³H и ¹⁴N). Для Я. р. (п, а) в случае лёгких ядер поглощаемая энергия Q также невелика (исключение составляют ⁶Li и ¹⁰B), для средних и тяжёлых ядер выделяется небольшое количество энергии. Я. р., в которых образуется больше 2 частиц, протекают с поглощением энергии, равной энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, например для Я. р. (n, 2n) онаЯдерные реакции10 Мэв. Особое место в этом смысле занимает реакция деления тяжёлых ядер, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Реакция деления для некоторых ядер (например, ²³⁸U) имеет энергетический порог (нейтроны должны иметь достаточно большую энергию), связанный с необходимостью преодоления потенциального барьера деления. Деление под действием медленных нейтронов испытывают ядра ²³⁵U, ²⁴²Am, ²⁴⁵Cm, ²⁴⁹Cf (см. Ядра атомного деления (См. Ядра атомного деление)).

Для медленных нейтронов основной процесс — радиационный захват нейтрона — Я. р. (n, γ). Исключение составляют ³He и ¹⁴N, для которых основной процесс — Я. р. (n, p), а также ⁶Li и ¹⁰B, для которых преобладает Я. р. (n, α). У средних и тяжёлых ядер потенциальный барьер препятствует вылету протонов и α-частиц. Область энергий ξ_n медленных нейтронов является резонансной. Большинство ядер обнаруживает резонансный захват при ξ_n ≥ нескольких эв. При ξ_n эв для большинства ядер эффективное сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов (закон 1/v).

С увеличением энергии нейтронов ξ_n уменьшается вероятность резонансного захвата и увеличивается вероятность их упругого рассеяния ядрами (n,n’). Когда ξ_n становится больше энергии первого возбуждённого состояния ядра-мишени (десятки и сотни кэв), возможно неупругое рассеяние нейтронов (n,n’). При ξ_n порядка нескольких Мэв главную роль играют упругое и неупругое рассеяния нейтронов; становятся заметными Я. р. (n, p) и (n, α), однако их сечения меньше сечения (n, n'). Когда ξ_n достигает 5—10 Мэв, преобладающую роль играют Я. р. (n, 2n).

Я. р. под действием протонов. Взаимодействию протонов с ядрами препятствует кулоновский барьер, поэтому для лёгких ядер Я. р. с протонами наблюдаются лишь начиная с энергий протонов ξ_p порядка нескольких сотен кэв, а для тяжёлых ядер — нескольких Мэв. При малых ξ_p основная Я. р. — радиационный захват протонов (p, v), а также упругое (р, р) и неупругое (р, p') рассеяния протонов ядрами. У лёгких ядер в области малых ξ_p вероятность Я. р. носит резонансный характер. У средних и тяжёлых ядер она достигает заметной величины лишь в области энергий, где резонансной структуры нет. В области энергии ξ_p, близких к высоте кулоновского барьера, наблюдается возбуждение небольшого числа изобар-аналоговых состояний. Сечение Я. р. имеет заметную величину начиная с 0,5 ξ₀ (ξ₀ — энергия, соответствующая высоте кулоновского барьера) и монотонно растет. Я. р. (p, n) становится преобладающей, если составное ядро имеет энергию возбуждения, достаточную для испускания нейтрона с энергией ≥ 1 Мэв. При дальнейшем увеличении ξ_p конечное ядро может иметь достаточную энергию для испускания второй частицы. В этом случае наблюдаются реакции (p, 2n) и (p, pn).

Я. р. под дейсгвием α-частиц. Для α-частиц кулоновский барьер ещё выше и достигает для тяжёлых ядер 25 Мэв. При такой энергии налетающей α-частицы энергия возбуждения ядра Ядерные реакции 20 Мэв, что достаточно для компенсации не только энергии связи вылетающего нуклона, но и для преодоления кулоновского барьера вылетающим протоном. Вследствие этого реакции (α, n) и (α, p) равновероятны. При увеличении энергии а- частиц наиболее вероятной становятся Я. р. (α, 2n), (α, pn). Резонансная структура энергетической зависимости сечений этих Я. р. наблюдается только у лёгких ядер и при относительно малых энергиях α-частиц. Продукты Я. р. (α, n) обычно χβ-активны, для Я. р. (α, p) — стабильные ядра.

Я. р. под действием дейтронов характеризуются наиболее высоким выходом по сравнению с др. Я. р. под действием заряженных частиц. Например, выход реакции ⁹Be (d, n)¹⁰. В при энергии дейтрона ξ_d 16 Мэв достигает 0,02, а для Я. р. с другими заряженными частицами таких энергий — порядка 10^-3 — 10^-6. Я. р. с дейтронами могут протекать с образованием составного ядра, путём расщепления дейтрона кулоновским полем ядра мишени и прямым механизмом срыва. Эффективные сечения этих трёх процессов примерно одного порядка. Т. к. в дейтроне среднее расстояние между протоном и нейтроном относительно велико, а их энергия связи мала, то при бомбардировке ядер дейтронами наиболее вероятен захват ядром лишь одного из нуклонов дейтрона, тогда как второй пролетает дальше, не испытав взаимодействия с ядром. В этом случае Я. р. осуществляется не внутри ядра, а на его поверхности. Протоны и нейтроны, образующиеся в Я. р. срыва, летят в основном вперёд. Дейтроны, ускоряемые в циклотронах, широко используются для получения радиоактивных нуклидов и интенсивных потоков нейтронов (см. Нейтронные источники).

Я. р. между легчайшими ядрами имеют заметный выход даже при малых энергиях налетающих частиц (порядка 1—10 кэв). Поэтому они могут осуществляться не только бомбардировкой мишени пучком ускоренных частиц, но и нагреванием смеси взаимодействующих ядер до температуры Ядерные реакции 10⁷ К (см. Термоядерные реакции).

Я. р. под действием частиц высоких энергий (значительно больших, чем энергия связи нуклонов в ядре). Частицам с энергией Ядерные реакции 100 Мэв соответствует ƛ = 0,43 ф, малая по сравнению со средним межнуклонным расстоянием в ядре (1,9 ф). Это позволяет «зондировать» ядро: в первом приближении можно считать, что влетающий в ядро нуклон взаимодействует в каждый момент времени только с одним нуклоном и при этом так, как будто он свободен. Важная особенность Я. р. под действием частиц высоких энергий — возможность передать даже лёгкому ядру возбуждение Ядерные реакции 100 Мэв.

При взаимодействии быстрого нуклона с ядром он может испытывать упругое рассеяние и вызывать Я. р. Сечение упругого рассеяния σ_y плавно зависит от энергии налетающих частиц. Полное сечение взаимодействия быстрых нуклонов σ_полн меняется в пределах от 2πR² до πR². При энергии нуклона > 150 Мэв σ_y = 1/3 σ_полн, а сечение Я. р. σ_з = ¹/₃ σ_полн. Т. о., ядро ведёт себя не как абсолютно поглощающая среда (в этом случае σ_y = σ_p). Угловые распределения упруго рассеянных частиц сходны с дифракционной картиной, имеется ярко выраженная направленность вперёд.

Большая энергия налетающей частицы может распределиться между многими нуклонами ядра. При этом часть из них приобретает энергию, достаточную, чтобы покинуть ядро. При взаимодействии частицы высокой энергии с ядром может развиться внутриядерный каскад, в результате которого испускается несколько энергичных частиц, а оставшаяся часть оказывается сильно возбуждённым составным ядром, которое, распадаясь, испускает частицы малых энергий. Среднее число испускаемых частиц растет с увеличением энергии первичной частицы. В ходе Я. р., кроме нуклонов, могут (с меньшей вероятностью) испускаться более тяжёлые ядерные осколки (дейтроны, тритоны, α-частицы). Я. р., в которой испускается множество заряженных частиц, образует в ядерной фотографической эмульсии многолучевую звезду. В таких Я. р. образуется большое число разнообразных радиоактивных продуктов, для исследования которых применяются методы радиохимии.

Под действием быстрых частиц наблюдают и более простые Я. р.: неупругое рассеяние (p, p'), Я. р. «перезарядки» (p, n), Я. р. «подхвата» (p, d), Я. р. «выбивания» (p, 2p) и др. Вклад этих процессов в полное сечение Я. р. невелик ( Ядерные реакции 10—20%). Реакция выбивания протона (p, 2p) оказалась очень удобной для исследования структуры ядер. Измеряя энергию вылетающих протонов, можно определить потерю энергии в Я. р. и энергию связи выбитого протона. В распределении по энергиям остаточных ядер наблюдаются максимумы, соответствующие возбуждённым уровням остаточного ядра. Энергия возбуждения этих уровней достигает 50—70 Мэв, и они соответствуют дырочным возбуждениям глубоких оболочек (см. Ядро атомное).

Кулоновское возбуждение ядер. Протоны и более тяжёлые ионы, движущиеся слишком медленно, для того чтобы преодолеть кулоновский барьер, приближаясь к ядру, создают относительно медленно меняющееся электрическое поле, которое действует на протоны ядра. В этих случаях ядро, поглощая электромагнитную энергию, переходит в возбуждённое состояние, а налетающий ион теряет часть своей энергии. Кулоновское возбуждение — одно из основных средств изучения низколежащих коллективных состояний ядер.

Я. р. под действием фогоноа и электронов. Возбуждения ядра с помощью электромагнитного поля (Фотоядерные реакции) могут осуществляться при бомбардировке их γ-квантамн. При малых энергиях γ-кванты могут испытывать только упругое рассеяние. При энергиях, больших энергий отделения нуклонов от ядра, основным процессом становится поглощение γ-кванта и испускание ядром нуклонов. При поглощении γ-квантов с энергиями в десятки Мэв, как правило, образуется составное ядро. При взаимодействии ядра с более энергичными γ-квантами большую роль начинают играть прямые процессы. Величина эффективных сечений фотоядерных реакций — десятки и сотни мбарн.

Электроны, взаимодействуя с протонами ядра, могут испытывать упругое и неупругое рассеяние, а также выбивать протоны из ядра. Исследование упругого рассеяния электронов позволило получить детальные данные о распределении электрического заряда в ядре.

Я. р. с участием мезонов, гиперонов и античастиц. В Я. р. под действием нуклонов, энергия которых больше порога рождения мезонов, возможно испускание мезонов, которые могут также вызывать Я. р. и участвовать в развитии внутриядерного каскада. Наиболее изучены Я. р. на π-мезонах. Многие Я. р., вызываемые пионами, похожи на соответствующие Я. р. под действием нуклонов, например неупругое рассеяние (π,π'), перезарядка (π+,π°),(π^-,π°) и выбивание [(π,πp), (π,πn),(π^-,πd)] и др. Однако есть др. Я. р. с участием пионов, не имеющие аналогов в нуклоно-ядерном взаимодействии. К ним относится реакция двойной перезарядки пионов (π^-,π⁺), Я. р. поглощения пионов (π⁺, 2p), (π^-, 2n). Изучение этих Я. р. позволяет исследовать корреляции нуклонов в ядре.

Я. р. с тяжёлыми ионами. Для тяжёлых ионов (Z> 2) в качестве налетающих частиц потенциальный кулоновский барьер ξ₀ в Z раз больше, чем для протонов, и поэтому необходимо, чтобы энергия иона, приходящаяся на 1 нуклон ядра, превышала несколько Мэв (тем больше, чем больше Z мишени). Эффективное сечение Я. р. с тяжёлыми ионами, обладающими энергией ξ>1,2ξ₀, даётся выражением: σ =πR²(1-ξ₀/ξ), где

Это соответствует классическим представлениям о соударении двух заряженных чёрных шаров радиусом R. При энергиях ξ <>₀ Я. р. осуществляются за счёт туннельного просачивания через барьер (см. Туннельный эффект). В этом случае

где R₀ — сумма радиусов взаимодействующих ядер, ω₀ — кривизна барьера. Налетающие ионы могут и не вызвать Я. р., а испытать упругое рассеяние в поле кулоновских и ядерных сил. Угловое распределение ионов при упругом рассеянии (при ƛ иона порядка расстояния макс. сближения с ядром) имеет дифракционный характер. При меньших ƛ дифракционная структура исчезает. Энергетическая зависимость эффективных сечений для Я. р. тяжёлыми ионами носит, как правило, нерезонансный характер. Исключение составляет упругое рассеяние. В энергетической зависимости эффективного сечения упругого рассеяния ⁶Li на ⁶Li, ¹²C на ¹²C, ¹⁴N на ¹⁴N, ¹⁶O на ¹⁴N и др. в интервале энергии (ξ₀ Ядерные реакции 5—35 Мэв наблюдаются резонансы с шириной порядка нескольких Мэв и более тонкая структура.

Я. р. с тяжёлыми ионами характеризуются большим числом выходных каналов. Например, при бомбардировке ²³⁵Th ионами ⁴⁰Аг с энергией 379 Мэв образуются ядра Ca, Ar, S, Si, Mg и Ne.

В случае Я. р. с тяжёлыми ионами различают: реакции передачи нуклонов, реакции передачи более сложных частиц и реакции слияния (образования составного ядра). Я. р., при которых происходит передача малого числа частиц или малой части энергии, называются мягкими соударениями. Их теория имеет много общего с теорией прямых реакций. Я. р., в которых происходит передача значительной массы или энергии, называются жёсткими соударениями или глубоко неупругими передачами. Угловые распределения продуктов этих Я. р. резко асимметричны; лёгкие продукты вылетают преимущественно под малыми углами к ионному пучку. Энергетическое распределение продуктов Я. р. имеет широкий максимум. Кинетическая энергия продуктов Я. р. близка к высоте выходных кулоновских барьеров и практически не зависит от энергии ионов.

При глубоко неупругих столкновениях ядер образуется короткоживущая промежуточная система. Несмотря на обмен массой и энергией, ядра промежуточной системы сохраняют индивидуальность за счёт прочно связанных сердцевин. В результате жёстких соударений образуется много новых нуклидов. В таких Я. р. могут возникать составные ядра с большими энергиями возбуждения (Ядерные реакции100 Мэв)и угловыми моментами Ядерные реакции50. Я. р. с образованием составного ядра служат для синтеза трансурановых элементов (См. Трансурановые элементы) (слияние ядер мишений из Pb и Bi с ионами ⁴⁰Ar, ⁵⁰Ti, ⁵⁴Cr, ⁵⁵Mn, ⁵⁸Fe). Например, с помощью Я. р. ²⁰⁴Pb(Фермий).

Лит.: Блатт Дж., Вайскопф В., Теоретическая ядерная физика, М., 1954; Лейн А., Томас Р., Теория ядерных реакций при низких энергиях, М., 1960; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., М., 1965; Волков В. В., в кн.: Тр. Международной конференции по избранным вопросам структуры ядра, т. 2, Дубна, 1976, с. 45—65.

И. Я. Барит.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ - реакции превращения атомных ядер при взамодействии с элементарными частицами, ?-квантами или друг с другом (см. Фотоядерные реакции, Ядерные цепные реакции). Впервые начал изучать Эрнест Резерфорд в 1919.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, g-квантами или друг с другом. Ядерные реакции используются в экспериментальной ядерной физике (исследование свойств элементарных частиц, получение трансурановых элементов и др.), извлечении и применении ядерной энергии и др. Ядерные реакции - основной процесс производства энергии светящихся звезд.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

превращения ат. ядер при вз-ствии с ч-цами, в т. ч. с g-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение ч-ц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние — 10-13 см. Энергия налетающих положительно заряж. ч-ц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенц. барьера ядер (для однозарядных ч-ц =10 МэВ). В этом случае Я. р., как правило, осуществляются бомбардировкой мишеней пучками ускоренных ч-ц. Для отрицательно заряж. и нейтральных ч-ц кулоновский барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих ч-ц.

Я. р. записывают в виде: A (a, bcd) В, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая ч-ца, b, с, d — испускаемые в Я. р. ч-цы, В — остаточное ядро (в скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые). Часто Я. р. может идти неск. способами, напр.:

63Cu (р, n) 63Zn; 63Cu (p, 2n) 62Zn;

63Cu(p, pn) 62Cu; 63 Cu (р, р) 63Cu,

63Cu (р, р') 63Cu* (неупругое рассеяние протонов)

Совокупность сталкивающихся ч-ц в определённом квант. состоянии (напр., р и ядро 63Cu) наз. входным каналом Я. р. Ч-цы, рождающиеся в результате Я. р., в определённых квант. состояниях (напр., n и ядро 63Zn с определённым орбит. моментом и проекцией спинов на выделенное направление) образуют выходной канал Я. р.

Я. р.— осн. метод изучения структуры ядра и его св-в (см. ЯДРО АТОМНОЕ). Я. р. подчиняются законам сохранения электрич. заряда, барионного заряда, энергии и импульса. Я. р. могут протекать с выделением и с поглощением энергии Q, к-рая примерно в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при хим. реакциях. Поэтому в Я. р. можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер: согласно закону сохранения энергии, энергия Q, выделяемая или поглощаемая при Я. р., равна разности сумм масс ч-ц (в энергетич. ед.) до и после Я. р.

Сечение в выход Я. р. Сечения Я. р. а зависят от энергии? налетающей ч-цы, типа Я. р., углов вылета и ориентации спинов ч-ц — продуктов реакции. Величина а колеблется в пределах 10-27—10-21 см2. Если радиус ядра R больше, чем длина волны де Бройля ч-цы l, то макс. сечение Я. р. определяется геом. сечениями ядер sмакс=pR2. Для нуклонов с энергией?»10/A2/3 МэВ, l»R В области малых энергий l->R и сечение s определяется уже не величиной R, а значением l, напр. для медленных нейтронов sмакс»pl2. В промежуточной области энергии sмакс =pя(R+l)2.

Выход Я. р.— отношение W числа актов N Я. р. к числу ч-ц, упавших на 1 см2 мишени. Для тонкой мишени W=ns, где n — число ядер на 1 см2 поверхности мишени. Для медленных заряж. ч-ц Немало (10-3— 10-6), для ч-ц высоких энергий выход больше. Для нейтронов и p-мезонов выход может достигать 1.

Механизмы Я. р. Налетающая ч-ца, напр. нуклон, может войти в ядро и вылететь из него под др. 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 вз-ствия с др. его нуклонами (прямой процесс). Существуют и более сложные прямые процессы, при к-рых энергия налетающей ч-цы передаётся непосредственно одному или небольшой группе нуклонов ядра (см. ПРЯМЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ). Если энергия, внесённая влетевшей ч-цей, постепенно распределится между мн. нуклонами ядра, то состояния возбуждения ядра будут становиться всё более и более сложными, однако через нек-рое время наступит динамич. равновесие — разл. яд. конфигурации будут возникать и распадаться в образовавшейся системе, наз. составным ядром. Составное ядро неустойчиво и через короткое время распадается. Если в нек-рых конфигурациях энергия одного из нуклонов окажется достаточной для его выброса из ядра, то составное ядро распадается с испусканием нуклона. Если же энергия сосредоточивается в нек-рых группах ч-ц, существующих в составном ядре короткое время, то возможно испускание альфа-частиц, тритонов, дейтронов и др. При энергиях возбуждения составного ядра, меньших энергии, необходимой для отделения от него ч-ц, единств. путь его распада — испускание g-квантов (радиационный захват). Иногда выброс ч-ц происходит до того, как установилось равновесие, т. е. до образования составного ядра (предравновесный распад). Разл. механизмы Я. р. отличаются разным временем протекания. Время протекания у прямых Я. р.— это время, необходимое ч-це, чтобы пройти область пр-ва, занимаемую ядром (=10-22 с). Ср. время жизни составного ядра достигает =10-15 — 10-16 с. При малых энергиях налетающих ч-ц осн. механизм Я. р.— образование составного ядра (за исключением Я. р. с дейтронами). При больших энергиях преобладают прямые процессы.

Хар-р зависимости сечений Я. р. 0 от энергии? налетающих ч-ц также различен для разных механизмов Я. р. Для прямых Я. р. зависимость s(?) монотонна. В случае составного ядра, при малых?, наблюдаются максимумы в энергетич. зависимости сечения, к-рые соответствуют уровням энергии составного ядра. В области больших энергий (=15 МэВ для ср. и тяжёлых ядер) уровни энергии составного ядра перекрываются и 0 в среднем монотонно зависит от?. На этом фоне выделяются более широкие максимумы, соответствующие возбуждению аналоговых состояний ядер, а также гигантские резонансы, Время жизни т возбуждённого ядра связано с полной шириной Г максимумов соотношением: Г=ћ/t.

Особенности Я. р., идущих через образование и распад составного ядра,— симметричное угл. распределение вылетающих ч-ц («вперёд-назад» относительно направления налетающих ч-ц в системе центра инерции), максвелловский энергетич. спектр этих ч-ц (см. МАКСВЕЛЛА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ) и одинаковость относит. вероятностей выходных каналов разных Я. р. с участием одного и того же составного ядра. Ч-цы — продукты Я. р., как правило, поляризованы, даже если пучок бомбардирующих ч-ц неполяризован. Если пучок поляризован, то наблюдается азимутальная асимметрия вылетающих частиц (см. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ), ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА).

Я. р. под действием нейтронов в большинстве случаев протекают с поглощением энергии Q. При Я. р. (n,p) для большинства ядер Q невелика (за исключением 3Н и 14N). Для Я. р. (n, a) в случае лёгких ядер Q также невелика (за исключением 6Li и 10В); для ср. и тяжёлых ядер небольшое количество энергии выделяется. Я. р., в к-рых образуется больше двух ч-ц, протекают с поглощением энергии, напр. для Я. р. (n, 2n) Q=10МэВ. Особое место занимает Я. р. деления тяжёлых ядер, к-рая сопровождается выделением большого количества энергии (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА).

В случае медленных нейтронов осн. процесс практически для всех ядер — радиац. захват нейтрона — Я. p. (n, g), т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов и a-частиц. Исключение составляют 3Н, 14N, для к-рых осн. процесс (n, p), и 6Li, 10В, для к-рых преобладает Я. р. (n, a). Большинство ядер обнаруживает резонансный радиац. захват при?n большем неск. эВ. С увеличением?n уменьшается вероятность радиационного захвата нейтронов и увеличивается вероятность их упругого рассеяния ядрами —Я. р. (n, n). Когда?n становится больше энергии первого возбуждённого состояния ядра-мишени (десятки и сотни кэВ), возможно неупругое рассеяние (n,n'). При?n=1 —2 МэВ гл. роль играют процессы упругого и неупругого рассеяния, становятся заметными Я. р. (n, p) и (n, a). Когда?n достигает 5—10 МэВ, преобладают Я. р. (n, 2n).

Я. р. под действием протонов, a-частиц, дейтронов и других ядер. Вз-ствию протонов с ядрами препятствует кулоновский барьер высотой?0. Сечение s этих Я. р. имеет заметную величину начиная с?р=0,5?0 и монотонно растёт. Для лёгких ядер Я. р. с протонами наблюдаются лишь начиная с?р=неск. сотен кэВ, а для тяжёлых ядер — неск. МэВ. Вначале осн. Я. р.— радиац. захват (p, g), а также упругое (p, p) и неупругое (p,p') рассеяние. Для лёгких ядер s(?р) в области малых?р носит резонансный характер, у средних и тяжёлых ядер s достигает заметной величины лишь в области энергий, где резонансной структуры нет. В области?р=?0 наблюдается возбуждение небольшого числа аналоговых состояний. Я. р. (p, n) преобладает, если составное ядро имеет энергию возбуждения, достаточную для испускания нейтрона с энергией?1 МэВ. При дальнейшем увеличении?p конечное ядро может иметь энергию, достаточную для испускания второй ч-цы: наблюдаются Я. р. (p, 2n), (p, pn).

Для a-частиц кулоновский барьер ещё выше и достигает у тяжёлых ядер?0=25МэВ. При такой энергии налетающей a-частицы энергия возбуждения ядра =20 МэВ, что достаточно для компенсации не только энергии связи вылетающего нуклона, но и для преодоления кулоновского барьера вылетающим протоном. Вследствие этого Я. р. (a, n) и (a, p) равновероятны. При увеличении?a наиб. вероятной становятся Я. р. (a, 2n), (a, pn). Резонансная структура s(?a) наблюдается только у лёгких ядер и при относительно малых энергиях a-частиц. Продукты Я. р. (a, n) обычно b-активны, а для Я. р. (a, p) — стабильные ядра. Я. р. под действием дейтронов имеют наиболее высокий выход. Напр., в случае 9Ве (d, n) 10В при?d=16 МэВ W=0,02 (для Я. р. с др. ядрами таких энергий W-10-3—10-6). Я. <р. с дейтронами могут протекать с образованием составного ядра (путём расщепления дейтрона кулоновским полем ядра) и механизмом срыва (срыва реакция). Я. р. между легчайшими ядрами имеют заметный выход даже при малых энергиях налетающих ч-ц (W=1—10кэВ). Они могут осуществляться не только бомбардировкой ускоренными заряж. ч-цами, но и нагреванием смеси взаимодействующих ядер до темп-ры =107К (см. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ).

Эфф. средством исследования ядра стали Я. р. под действием ч-ц высоких энергий, вплоть до сотен ГэВ, а также с участием мезонов, гиперонов и античастиц.

Протоны и более тяжёлые ионы, движущиеся слишком медленно для того, чтобы преодолеть кулоновский барьер, приближаясь к ядру, создают относительно медленно меняющееся электрич. поле, к-рое действует на протоны ядра. Ядро, поглощая эл.-магн. энергию, переходит в возбуждённое состояние, а налетающий ион теряет часть своей энергии. Кулоновское возбуждение ядер — одно из осн. средств изучения низколежащих коллективных состояний ядер.

Я. р. под действием g-квантов и электронов. При малых энергиях g-квантов они могут испытывать только упругое рассеяние. При энергиях, больших, чем энергия отделения нуклонов от ядра, осн. процессом становится поглощение g-кванта и испускание ядром нуклонов (см. ФОТОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ). Эл-ны, взаимодействуя с протонами ядра, также могут испытывать упругое и неупругое рассеяние и выбивать протоны из ядра. Исследование упругого рассеяния эл-нов позволило получить данные о распределении электрич. заряда и магн. момента в ядре.

Я. р. с тяжёлыми ионами. Для тяжелых ионов (Z>2) потенц. кулоновский барьер?0 в Z раз больше, чем для протонов, и поэтому необходимо, чтобы энергия иона, приходящаяся на 1 нуклон ядра, превышала неск. МэВ (тем больше, чем больше Z мишени). Сечение s Я. р. с тяжёлыми ионами, обладающими энергией?>1,4?0: s=pR2(1-?0/?), где R»1,4(A11/3+A21/3), A1 и А2 — массовые числа взаимодействующих ядер. Это соответствует представлению о соударении двух заряженных чёрных шаров радиуса Л. При энергиях?

Я. р. с тяжёлыми ионами характеризуются большим числом выходных каналов. Напр., при бомбардировке 232Th ионами 40Ar с энергией 379 МэВ образуются ядра Са, Ar, S, Si, Mg и Ne. В случае Я. р. с тяжёлыми ионами наблюдаются Я. р. передачи нуклонов, передачи более сложных частиц и слияния. Я. р., при которых происходит передача малого числа ч-ц или малой части энергии, наз. мягкими соударениями. Их теория имеет много общего с теорией прямых реакций. Я. р., в к-рых происходит передача значит. массы или энергии, наз. жёсткими соударениями (глубоко неупругими процессами).Угл. распределения продуктов этих Я. р. резко асимметричны: лёгкие продукты вылетают преим. под малыми углами к ионному пучку. Энергетич. распределение продуктов имеет широкий максимум. Кинетич. энергия продуктов Я. р. близка к высоте выходных кулоновских барьеров и практически не зависит от энергии ионов.

При глубоко неупругих столкновениях ядер образуется короткоживущая промежуточная система. Несмотря на обмен массой и энергией, ядра промежуточной системы сохраняют индивидуальность за счёт прочно связанных сердцевин. В результате жёстких соударений образуется много новых нуклидов. При ещё более тесном соударении образуется составное ядро. В таких Я. р. могут образовываться составные ядра с большими энергиями возбуждения (=100 МэВ) и угл. моментами (l=50). Я. р. с образованием составного ядра служат для синтеза трансурановых элементов (слияние ядер мишеней из Pb и Bi с ионами 40Ar, 50Ti, 54Cr, 55Mn, 58Fe). Напр., с помощью Я. р. 20482Pb(4018Ar, 2n)242100Fm был осуществлён синтез фермия.

превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами. Такое определение разграничивает собственно Я. р. и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.

Я. р. осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов разл. элементов) либо квантов, к-рыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают Я. р. при низких ( < 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А <50), ядрах ср. массы (50 < А <100) и тяжелых ядрах ( А>100).

Я. р. может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10^-13 см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод. между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в Я. р. частицы - и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т. наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени. Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера, и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если в Я. р. участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).

Обсуждается возможность протекания Я. р. не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на пов-сти твердого тела (напр., с участием ядер атомов газа дейтерия, растворенного в палладии); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких Я. р. ("холодного термоядерного синтеза") нет.

Я. р. подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. р-ции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании Я. р. действуют и нек-рые специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения барионного заряда (барионы - тяжелые элементарные частицы).

Записывать Я. р. можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона:

Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его ат. номер (заряд ядра), то при записи Я. р. значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще Я. р. записывают короче. Так, Я. р. образования радионуклида ¹⁴ С при облучении ядер ¹⁴N нейтронами записывают след. образом: ¹⁴N(n, р)¹⁴ С.

В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу или квант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы или квант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п )и др. Я. р.

При столкновении одних и тех же частиц Я. р. могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. Я. р.: ²⁷ А1(n,)²⁸ А1, ²⁷ А1(n, n)²⁷ А1, ²⁷ А1(n, 2n)²⁶ А1, ²⁷ А1(n, p)²⁷Mg, ²⁷Al(n,)²⁴Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом Я. р., а частицы, рождающиеся в результате Я. р., образуют выходной канал.

Я. р. могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать Я. р. как А(a, b)В , то для такой Я. р. энергия равна: Q =[(М _А + М _а) -> (М _в + М _b)]x с², где М - массы участвующих в Я. р. частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (см. Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Qимеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10^-7 кДж).

Изменение энергии, к-рым сопровождается Я. р., может в 10⁶ раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при Я. р. становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после Я. р. Возможность выделения огромных кол-в энергии при осуществлении Я. р. лежит в основе ядерной энергетики (см. Ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в Я. р., а также соотношений между углами, под к-рыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных р-ций.

Механизмы Я. р. Характер взаимод. налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных св-в взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление наз. упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер ²⁷ А1 ему отвечает Я. р. ²⁷ А1(п, п)²⁷ А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это - т. наз. прямой процесс. Время, за к-рое он протекает, соответствует времени, за к-рое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно ок. 10^-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы.