Прямые ядерные реакции

Прямы́е ядерные реакции

Ядерные процессы, в которых вносимая в атомное ядро энергия передаётся преимущественно одному или небольшой группе нуклонов (См. Нуклоны). П. я. р. многообразны, они вызываются всевозможными налетающими частицами (от γ-квантов до многозарядных ионов) в широком диапазоне энергий (от нескольких Мэв до нескольких Гэв). Для П. я. р. характерны сильная угловая анизотропия и сравнительно слабая зависимость вероятности процесса (эффективного поперечного сечения (См. Эффективное поперечное сечение)) от энергии частицы. Ядро, образующееся в результате П. я. р., находится, как правило, либо в слабо возбуждённом, либо в основном состояниях.

П. я. р. открыты в начале 50-х гг. 20 в. Первыми были обнаружены реакции дейтронного срыва (d, р) и подхвата (р, d) на лёгких ядрах. Образующиеся в этих реакциях протоны и Дейтроны вылетают в основном вперёд (в направлении пучка налетающих частиц). Известны П. я. р., в которых нуклон или группа нуклонов переходят от одного из сталкивающихся ядер к другому. П. я. р. типа (х, ху) называются квазиупругим рассеянием. В этих реакциях импульсы и энергии налетающей (х) и вылетающих (х, у) частиц связаны почти так же, как при упругом рассеянии частицы х на свободной частице у. Наиболее хорошо изучены реакции квазиупругого рассеяния, вызываемые альфа-частицами (См. Альфа-частицы), протонами и π-мезонами на лёгких ядрах. Наблюдается также выбивание из ядра слабо связанных частиц — дейтронов, т. е. реакции (р, pd) и т.п.

Особенности П. я. р. могут быть объяснены, если допустить, что вылетевшие из ядра частицы получают энергию и импульс в процессе непосредственного взаимодействия с налетающей частицей (отсюда — эпитет «прямые»), остальная же часть ядра-мишени участвует в реакции лишь как «наблюдатель» (спектатор). В этом смысле П. я. р. являются как бы антиподом ядерных реакций (См. Ядерные реакции), проходящих через стадию образования составного ядра (См. Составное ядро), когда энергия, вносимая в ядро, статистически распределяется между всеми нуклонами из-за многократных столкновений их друг с другом.

В теории П. я. р. предполагается, что они происходят на периферии ядра, где плотность нуклонов мала, вследствие чего нуклон, получивший достаточную энергию в результате взаимодействия с внешним агентом, имеет значительную вероятность покинуть ядро без столкновений. Периферийный слой ядра имеет протяжённость ~ 1 ферми, тогда как радиус средних и тяжёлых ядер достигает величины 10 ферми. Т. о., относительная вероятность П. я. р. должна быть ~ 10% (у лёгких ядер несколько больше). Эти оценки подтверждены опытами.

Количественная теория П. я. р. была предложена С. Батлером (Австралия) в 50-х гг. впервые применительно к реакциям срыва. Она основывалась на квантовомеханическом (шредингеровском) описании ядра и использовании представлений о потенциальном взаимодействии налетающей частицы с нуклонами. Развитие этой теории привело к формулировке «борновского приближения с искажёнными волнами», в котором, помимо акта взаимодействия, вызывающего реакцию, учитывается дифракция налетающих частиц на ядре-мишени и вылетающих — на остаточном ядре.

В 60-х гг. был сформулирован иной подход к теории П. я. р., основанный на использовании методов квантовой теории поля (См. Квантовая теория поля) (фейнмановской диаграммной техники). Этот подход, называют иногда дисперсионной теорией П. я. р., был вызван неприменимостью потенциального приближения к реакциям с участием релятивистских частиц и расширением многообразия П. я. р., в частности обнаружением процессов выбивания плотных частиц, стационарно не существующих в ядре и потому не описываемых волновыми функциями. Дисперсионная теория даёт возможность выразить вероятность П. я. р. через константы, характеризующие ядро (например, эффективное число частиц данного сорта на периферии ядра), и через амплитуды вероятности элементарного акта, т. е. процесса взаимодействия налетающей и внутриядерной частиц. Она позволяет также выяснить область применимости представлений о «прямом» взаимодействии для конкретных реакций и указать эксперименты, необходимые для установления механизма процесса.

П. я. р. используются для изучения спектра ядерных уровней, структуры периферии ядра, в частности — периферийных коррелированных групп нуклонов (кластеров) и получения данных о взаимодействии нестабильных элементарных частиц с нейтронами и нуклонными изобарами. Последний аспект связан с исследованиями П. я. р. при высоких энергиях.

Лит.: Батлер С., Ядерные реакции срыва, пер. с англ., М., 1960; Austern N., Direct reactions, в сборнике: Selected topics in nuclear theory, Vienna, 1963; Шапиро И. С., Теория прямых ядерных реакций, М., 1963; его же, Некоторые вопросы теории ядерных реакций при высоких энергиях, «Успехи физических наук», 1967, т. 92, с. 549.

И. С. Шапиро.