Фотоядерна реакція

Фотоядерні реакції (англ. photodisintegration, phototransmutation) — ядерні реакції, що відбуваються при поглинанні гамма-квантів ядрами атомів[1]. Явище випромінювання ядрами нуклонів при ції реакції називається ядерним фотоефектом.

Це явище відкрили 1934 року Чедвік і Гольдхабер[2] і далі досліджували Боте і Вольфганг Гентнер(інші мови)[3], а потім і Нільс Бор[4][5].

При поглинанні гамма-кванту ядро отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро з надлишком енергії є складеним ядром^[ru]. Як і інші ядерні реакції, поглинання ядром гамма-кванту можливе лише при виконанні необхідних енергетичних і спінових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевищує енергію зв'язку нуклона в ядрі, то розпад утвореного складеного ядра відбувається найчастіше з випромінювання нуклонів, переважно нейтронів. Такий розпад викликає ядерні реакції ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ і ${\displaystyle (\gamma ,p),}$ які називаються фотоядерними, а явище випромінювання нуклонів у цих реакціях — ядерним фотоефектом. Позначення:

• ${\displaystyle \gamma }$ — частинка гамма-випромінювання чи гамма-квант (фотон з високою енергією);
• ${\displaystyle n}$ — нейтрон;
• ${\displaystyle p}$ — протон.

В теорії фотоядерних реакцій використовується статистична модель складеного ядра і модель резонансного прямого фотоефекту[6].

Фотоядерні реакції ідуть з утворенням складеного ядра, однак при збудженні реакцій ${\displaystyle (\gamma ,p)}$ на ядрах з масовим числом ${\displaystyle A>100}$ експериментально було виявлено занадто високий вихід у порівнянні з виходом, передбаченим цим механізмом. Крім того, кутовий розподіл протонів з найбільшою енергією виявився неізотропним. Ці факти вказують на додатковий механізм прямої взаємодії, який є суттєвим лише у випадку ${\displaystyle (\gamma ,p)}$-реакції на важких і середніх ядрах. Реакція ж ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ завжди іде з утворенням складеного ядра.

Першою спостережуваною фотоядерною реакцією було фото-розщеплення дейтрона:

${\displaystyle \gamma +{}^{2}{\textrm {H}}\rightarrow p+n.}$

Вона проходить без утворення складеного ядра, оскільки ядро дейтерію не має збуджених станів, і може бути викликана гамма-квантами порівняно невисокої енергії (вище 2,23 МеВ[7]).

Однак нуклідів з малою енергією зв'язку нуклонів всього декілька, а щоб викликати фотоядерні реакції з іншими ядрами необхідні фотони з енергією не менше 8 МеВ. Фотони з такою енергією виникають у деяких ядерних реакціях чи отримуються при гальмуванні у речовині дуже швидких електронів. При радіоактивному розпаді, зазвичай, таких гамма-квантів не утворюється, тому гамма-кванти β-розпаду не можуть викликати фотоядерні реакції та появу нової наведеної радіоактивності в інших речовинах.

Якщо сповільнювачем в ядерному реакторі є берилій чи важка вода, то внаслідок незвично малої енергії зв'язку нейтрона в 9Be і 2H під дією гамма-квантів радіоактивного розпаду на ядрах цих нуклідів ефективно протікають фотоядерні реакції ${\displaystyle (\gamma ,n)}$. Особливо багато гамма-квантів при цьому дають радіоактивні продукти поділу урану, але гамма-кванти в ядерному реакторі випромінюють і інші речовини, активовані нейтронами. Таким чином, у важководневих і берилієвих ядерних реакторах наявне додаткове джерело нейтронів внаслідок протіканням фотоядерної реакції[1].

Примітки

1. Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — Москва : Энергоатомиздат, 1985. — С. 352. (рос.)
2. Дж. Чедвик, М. Гольдхабер. Ядерный фото-эффект (разложение дейтона γ-лучами). — Т. 14, № 8. (рос.)
3. W. Bothe und W. Gentner. Atomumwandlungen durch γ-Strahlen // Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei. — 1937. — Т. 106, № 3-4.
4. N. Bohr. Nuclear Photo-effects // Nature. — 1938. — № 141.
5. Н. Бор. Ядерный фотоэффект // УФН. — 1938. — № 7. (рос.)
6. Дж. Левинджер. Фотоядерные реакции. — ИЛ. — Москва, 1962. — С. 258. (рос.)
7. NCRP Report №79. Neutron Contamination from Medical Electron Accelerators. — National Council on Radiation Protection and Measurements, 1984. — P. 19. — ISBN 0-913392-70-7. ISSN 0083-209X

Посилання

• Фотоядерные реакции [Архівовано 26 листопада 2017 у Wayback Machine.], Фізична енциклопедія (рос.).