Фотоядерные реакции

Фотоядерными называются ядерные реакции, инициируемые электромагнитным излучением, чаще всего — γ-квантами высокой энергии. При этом фотон, взаимодействуя с ядром, может вызвать его возбуждение, распад, испарение частиц или даже деление. Характерной особенностью таких реакций является отсутствие заряженного налетающего проекта, что позволяет избежать кулоновского барьера, а следовательно — исследовать свойства ядра на очень малых энергиях возбуждения.

Фотоядерные реакции реализуются по типу:

• γ + (A, Z) → (A–1, Z) + n
• γ + (A, Z) → (A–1, Z–1) + p
• γ + (A, Z) → (A–2, Z–1) + d
• γ + (A, Z) → (A–4, Z–2) + α
• γ + (A, Z) → продукты деления
• γ + (A, Z) → (A, Z)* → γ’ + (A, Z)

Пороговые энергии и механизмы взаимодействия

Каждой фотоядерной реакции соответствует определённая пороговая энергия E_пор, которая равна энергии связи выбиваемой частицы в ядре. Если энергия фотона меньше E_пор, то реакция невозможна. Например, порог реакции (γ, n) для большинства среднетяжёлых ядер лежит в пределах 8–15 МэВ.

Существует несколько механизмов возбуждения ядра фотоном:

• Гигантский дипольный резонанс (ГДР) — наиболее вероятный механизм при энергии γ-квантов от 10 до 30 МэВ. При этом возбуждается коллективное дипольное колебание протонов относительно нейтронов.
• Механизм квазисвободного выбивания — реализуется при энергиях γ-квантов выше 30–50 МэВ. В этом случае фотон взаимодействует с отдельным нуклоном, выбивая его из ядра.
• Фотонуклонные взаимодействия — при энергиях выше 140 МэВ возможны процессы рождения мезонов и резонансов (например, ∆-резонансов).

Гигантский дипольный резонанс

Гигантский дипольный резонанс (ГДР) является основным типом коллективного возбуждения ядра при поглощении фотона. Он представляет собой колебательное движение протонной и нейтронной подсистем друг относительно друга. Для сферических ядер частота резонанса ω_ГДР приблизительно задаётся как:

E_ГДР ≈ 80 ⋅ A^−1/3 МэВ

Ширина резонанса составляет порядка 4–8 МэВ, а его форма описывается лоренцевой зависимостью. Сечение фотоядерной реакции в области ГДР достигает нескольких сотен миллибарн.

ГДР особенно важен для реакций типа (γ, n), так как основная часть энергии возбуждения тратится на испарение одного нейтрона.

Мультиплетность и переходы

Фотон может возбуждать ядро с различными мультипольностями:

• E1 — электрический дипольный переход (наиболее вероятен);
• M1 — магнитный диполь;
• E2 и выше — квадрупольные и более высокие.

Вероятность фотоядерной реакции резко снижается с ростом порядка мультипольности, что отражается в соответствующих формулах для переходных вероятностей.

Сечения фотоядерных реакций

Сечение фотоядерной реакции зависит от энергии фотона, структуры ядра и типа испаряемой частицы. В области ГДР фотоядерное сечение описывается формулой Брейт-Вигнера:

$$ \sigma(E) = \sigma_{\text{макс}} \cdot \frac{(\Gamma/2)^2}{(E - E_{\text{рез}})^2 + (\Gamma/2)^2} $$

где:

• E_рез — энергия резонанса (позиция ГДР),
• Γ — ширина резонанса,
• σ_макс — максимальное сечение.

Сечения фотоядерных реакций могут быть измерены экспериментально при помощи моноэнергетических γ-лучей, получаемых с помощью тормозного излучения электронных ускорителей или через обратное комптоновское рассеяние.

Реакции типа (γ, n), (γ, p), (γ, α)

Наиболее распространённые фотоядерные реакции:

• (γ, n) — наблюдаются практически у всех ядер и играют важную роль в ядерной астрофизике (фотодизинтеграция).
• (γ, p) — требуют преодоления кулоновского барьера, поэтому менее вероятны, чем (γ, n).
• (γ, α) — обладают высокими порогами, реализуются при наличии соответствующей энергии возбуждения и альфа-кластерной структуры ядра.

Отношения между сечениями различных каналов испарения позволяют исследовать парциальные плотности уровней и свойства потенциальных барьеров.

Фотоделение

Фотоделение тяжёлых ядер, например урана и тория, происходит при энергии γ-квантов выше 6–7 МэВ. Наиболее эффективным является возбуждение в области ГДР, после чего ядро может делиться:

γ + ²³⁸U → продукты деления

Сечение фотоделения сильно зависит от энергии возбуждения и наличия барьера деления. Такой процесс имеет важное прикладное значение в вопросах управления активностью ядерного топлива и в ядерной безопасности.

Фотоэмиссия нескольких частиц

При увеличении энергии фотона выше 30–50 МэВ возможно испарение более одной частицы: (γ, 2n), (γ, np), (γ, nα) и т.п. Такие реакции носят статистический характер и хорошо описываются каскадно-испарительными моделями.

Множественная эмиссия особенно важна для понимания механизмов каскадных распадов и процессов, происходящих при облучении веществ мощными пучками высокоэнергетических фотонов (например, при взаимодействии с космическими лучами).

Применение фотоядерных реакций

Фотоядерные реакции применяются в различных областях ядерной физики и техники:

• Ядерная астрофизика: моделирование процессов нуклеосинтеза, в частности обратных (γ, n) процессов;
• Диагностика ядерной структуры: исследование коллективных уровней возбуждения;
• Производство изотопов: например, получение короткоживущих радионуклидов;
• Физика элементарных частиц: через фотонуклонные взаимодействия изучаются нуклонные резонансы и кварковая структура;
• Неразрушающий контроль материалов: использование γ-лучей для активационного анализа;
• Фотонная ядерная энергетика: гипотетические концепции энергетических установок на основе фотоядерного деления.

Теоретические модели

Для описания фотоядерных реакций используются различные теоретические подходы:

• Статистическая модель Хаузенберга-Фешбаха — для реакций с испарением частиц;
• Модель гигантского резонанса — для анализа сечений и формы пика возбуждения;
• Квазисвободная модель — для описания выбивания отдельных нуклонов;
• Квантово-механические модели электромагнитного взаимодействия — при рассмотрении мультипольных переходов.

Расчёты фотоядерных сечений требуют точных данных о плотности уровней, формах потенциалов и вероятностях γ-переходов, что делает их важной частью ядерной теории.

---