Прямые ядерные реакции

Прямые ядерные реакции представляют собой класс ядерных процессов, в которых взаимодействие между налетающей частицей и ядром-мишенью происходит за очень короткое время (порядка 10⁻²² с), и энергия возбуждения при этом передаётся лишь ограниченному числу нуклонов. В отличие от компаундных реакций, в прямых реакциях отсутствует стадия термализации энергии во всём ядре, что определяет их специфические особенности.

Основные признаки прямых ядерных реакций:

  • Малое число участвующих нуклонов (1–2 нуклона);
  • Высокая энергия налетающей частицы (обычно десятки и сотни МэВ);
  • Короткое время взаимодействия, меньше времени релаксации ядерной системы;
  • Анизотропное угловое распределение продуктов, часто с максимумом в направлении, близком к направлению налетающей частицы;
  • Простая кинематика, позволяющая реконструировать механизмы реакции;
  • Избирательность по спиновым и орбитальным квантовым числам.

Классификация прямых ядерных реакций

К основным типам прямых реакций относятся:

  • Реакции передачи нуклона:

    • (d,p), (p,d), (³He,d), (t,p) и др.

  • Реакции рассеяния:

    • Упругое и неупругое рассеяние при высоких энергиях;

  • Реакции нокаута:

    • (p,2p), (e,e’p), (p,pn) — выбивание одного или нескольких нуклонов;

  • Стриппинг и пиккап реакции:

    • Реакции типа (d,p) — “снятие” нуклона;
    • Реакции типа (p,d) — “захват” нуклона;

  • Двухчастичные процессы, включая реакции передачи кластеров (например, α-передача).

Механизмы прямых ядерных реакций

Прямые реакции реализуются при энергиях, когда длина волны налетающей частицы становится сравнимой или меньше размеров ядра. Это позволяет описывать процесс в рамках квазиклассического подхода и теории оптического потенциала.

Наиболее важные механизмы:

  • Механизм однонуклонной передачи (Distorted Wave Born Approximation, DWBA) Описание передачи одного нуклона между входным и выходным каналами. Волновые функции искажаются полем ядра, и взаимодействие рассматривается как возмущение. DWBA хорошо описывает (d,p), (p,d), (³He,d) реакции.

  • Механизм серого тела (Serber Model) Используется в описании реакций выбивания, таких как (p,2p), где налетающая частица взаимодействует только с одним нуклоном внутри ядра, выбивая его наружу.

  • Когерентные процессы и дифракционное рассеяние Актуально для рассеяния налетающих частиц при малых углах, где можно использовать аналогию с дифракцией волн на ядре.

Теория и расчёт амплитуд прямых реакций

При теоретическом описании прямых реакций используют приближения теории возмущений, особенно первый порядок теории Борна. Основное выражение для амплитуды перехода имеет вид:

Tfi = ⟨ψf(−)|V|ψi(+)⟩

где:

  • ψi(+) — волновая функция входного канала с учётом искажения;
  • ψf(−) — волновая функция выходного канала;
  • V — потенциал взаимодействия, ответственный за переход;
  • интеграл берётся по координатам относительного движения и внутренним координатам участвующих частиц.

Для многих случаев полезна DWBA (Distorted Wave Born Approximation), в которой волновые функции искажаются внешним оптическим потенциалом. В рамках DWBA возможен расчет абсолютных сечений и распределений по углам.

Угловые распределения и избирательность

Угловые распределения частиц, испущенных в прямых реакциях, отражают характер взаимодействия и структуру ядра. Характерные особенности:

  • Для реакций типа (d,p), распределение имеет максимум при малых углах;
  • Наблюдается модуляция угловых распределений, обусловленная орбитальным моментом передаваемого нуклона — так называемые структурные максимумы;
  • Возможность определения квантовых чисел состояний остаточного ядра по характеру углового распределения.

Измеряя такие распределения, можно получить информацию о:

  • Спиново-орбитальном расщеплении;
  • Оболочечной структуре ядра;
  • Населении конкретных энергетических уровней в ядрах-продуктах.

Роль оптического потенциала

Для описания искажения волновых функций налетающей и вылетающей частиц в прямых реакциях используют оптический потенциал, представляющий собой комплексный потенциал взаимодействия налетающей частицы с ядром. Его реальная часть моделирует среднее поле, а мнимая часть — поглощение (переходы в другие каналы).

Оптический потенциал обычно подбирается по данным об упругом рассеянии, и затем используется в расчетах DWBA для описания реакций передачи и нокаута.

Примеры прямых реакций и их применение

1. Реакция (d,p): Типичный пример — исследование структуры ядра ¹⁷O через реакцию ¹⁶O(d,p)¹⁷O. Анализ угловых распределений позволяет определить орбитальные моменты и энергии связи нейтронов.

2. Реакция (p,d): Используется для исследования характеристик протонных состояний в ядрах-мишенях.

3. Реакции (p,2p), (e,e’p): Дают информацию о коррелированных состояниях и плотностях вероятности нахождения нуклонов внутри ядра. В частности, (e,e’p) применяются в электронных ускорителях для изучения структуры ядер.

4. Реакции с тяжелыми ионами: Передача нескольких нуклонов, реакция глубокого неупругого рассеяния — важные инструменты в исследованиях экзотических ядер и механизмов коллективных возбуждений.

Диагностика ядерных состояний

Прямые реакции, благодаря своей избирательности, являются мощным инструментом спектроскопии ядерных уровней. С помощью них получают:

  • Спектроскопические факторы, характеризующие вероятность нахождения нуклона в определённом квантовом состоянии;
  • Квантовые числа возбужденных состояний;
  • Информацию о переходных плотностях и волновых функциях;
  • Данные о разностях энергии связи между соседними изотопами.

Современные направления исследований

В последнее десятилетие наблюдается значительное развитие прямых реакций с радиоактивными ионами. Такие эксперименты позволяют исследовать структуры экзотических ядер, включая:

  • Ядра с гало-структурой (например, ¹¹Li, ⁶He);
  • Нейтронно-богатые и протонно-богатые изотопы;
  • Вклад короткодиапазонных корреляций в структуру ядер.

Развитие экспериментальных установок (SPIRAL, RIKEN, FAIR и др.) способствует высокой точности измерений, а также возможности исследования реакций в инверсной кинематике, что расширяет арсенал доступных прямых реакций.

Связь с другими типами ядерных реакций

Прямые реакции представляют собой предельный случай неупругих процессов, в которых не происходит термализация энергии и сформирования компаунд-ядра. Вместе с компаундными и предэквилибриумными реакциями, они образуют полный спектр ядерных взаимодействий. Разграничение между типами реакций часто условно и зависит от энергии, структуры ядер и условий эксперимента.

Особое значение прямые реакции имеют для интерпретации результатов в ядерной астрофизике, при моделировании процессов синтеза элементов в звёздах, а также в прикладной ядерной физике — в частности, в реакторах нового поколения и при конструировании нейтронных источников.

Оглавление