التعريف 1

التفاعل النوويبالمعنى الواسع، عملية تحدث نتيجة لتفاعل عدة مجمعات النوى الذريةأو الجسيمات الأولية. تسمى التفاعلات النووية أيضًا تلك التفاعلات التي توجد فيها نواة واحدة على الأقل بين الجزيئات الأولية، وتنضم إلى نواة أخرى أو جسيم أولي، ونتيجة لذلك يحدث تفاعل نووي ويتم إنشاء جزيئات جديدة.

وكقاعدة عامة، تحدث التفاعلات النووية تحت تأثير القوات النووية. إلا أن التفاعل النووي للاضمحلال النووي تحت تأثير $\gamma $ - الكوانتا عالية الطاقة أو الإلكترونات السريعة يحدث تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية وليس النووية، وذلك لأن القوى النووية لا تؤثر على الفوتونات والإلكترونات. تشمل التفاعلات النووية العمليات التي تحدث عندما تصطدم النيوترينوات بجسيمات أخرى، ولكنها تحدث بتفاعل ضعيف.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية في الظروف الطبيعية (في أعماق النجوم، في الأشعة الكونية). تتم دراسة التفاعلات النووية في المختبرات باستخدام مرافق تجريبية يتم فيها نقل الطاقة إلى الجسيمات المشحونة باستخدام المسرعات. في هذه الحالة، تكون الجسيمات الأثقل في حالة سكون وتسمى جزيئات الهدف. يتم مهاجمتهم بواسطة جزيئات أخف وزنًا، والتي تشكل جزءًا من الشعاع المتسارع. عند تصادم مسرعات الأشعة، فإن التقسيم إلى أهداف وأشعة ليس له أي معنى.

يجب أن تكون طاقة جسيم الحزمة المشحونة بشكل إيجابي في حدود أو أكبر من حاجز جهد كولوم للنواة. في عام 1932، كان جي كوكروفت وإي. والتون أول من قام بتقسيم نوى الليثيوم بشكل مصطنع عن طريق قصفها بالبروتونات التي كانت طاقتها أقل من ارتفاع حاجز كولومب. حدث اختراق البروتون في نواة الليثيوم من خلال انتقال نفقي عبر حاجز كولوم المحتمل. بالنسبة للجسيمات سالبة الشحنة والمحايدة، لا يوجد حاجز كولوم المحتمل ويمكن أن تحدث التفاعلات النووية حتى عند الطاقات الحرارية للجسيمات الساقطة.

التدوين الأكثر شيوعًا والمرئي للتفاعلات النووية مأخوذ من الكيمياء. على اليسار مجموع الجزيئات قبل التفاعل، وعلى اليمين مجموع منتجات التفاعل النهائية:

يصف التفاعل النووي الذي يحدث نتيجة قصف نظير الليثيوم $()^7_3(Li)$ بالبروتونات، مما يؤدي إلى إنتاج نيوترون ونظير البريليوم $()^7_4(Be)$.

غالبًا ما تتم كتابة التفاعلات النووية بشكل رمزي: $A\left(a,bcd\dots \right)B$، حيث $A$ هي النواة المستهدفة، $a$ هو الجسيم المهاجم، $bcd\dots و\ B$ - - على التوالي الجسيمات والنواة التي تتشكل نتيجة التفاعل. يمكن إعادة كتابة التفاعل أعلاه كـ $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. في بعض الأحيان يتم استخدام الرمز $(p,n)$، وهو ما يعني إخراج نيوترون من نواة معينة تحت تأثير البروتون.

الوصف الكمي لردود الفعل

الوصف الكمي للتفاعلات النووية من وجهة نظر ميكانيكا الكم ممكن فقط إحصائيا، أي. يمكننا التحدث عن احتمال معين للعمليات المختلفة التي تميز التفاعل النووي. وبالتالي، فإن التفاعل $a+A\to b+B$، في حالتيه الأولية والنهائية الذي يوجد فيه جسيمان لكل منهما، في هذا الفهم يتميز تمامًا بالمقطع العرضي التفاضلي الفعال للتشتت $d\sigma /d\Omega $ داخل الجسم يقطع $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $، حيث $\theta $ و$\varphi $ هما الزاويتان القطبية والسمتية لمغادرة جسيم واحد، بينما يتم حساب الزاوية $\theta $ من بداية حركة الجسيم القاذف. يُطلق على اعتماد المقطع العرضي التفاضلي على الزاويتين $\theta $ و $\varphi $ التوزيع الزاوي للجزيئات التي تشكل التفاعل. المقطع العرضي الكلي أو المتكامل الذي يميز شدة التفاعل هو المقطع العرضي التفاضلي الفعال المتكامل على جميع قيم الزوايا $\theta $ و $\varphi $:

يمكن تفسير المقطع العرضي الفعال على أنه منطقة يتسبب فيها الجسيم الحادث في تفاعل نووي معين. يتم قياس المقطع العرضي الفعال للتفاعل النووي بالحظائر $1\b=(10)^(-28)\m^2$.

تتميز التفاعلات النووية بمردود التفاعل. ناتج التفاعل النووي $W$ هو جزء من جسيمات الشعاع التي تلقت تفاعلًا نوويًا مع الجسيمات المستهدفة. إذا كانت $S$ هي مساحة المقطع العرضي للحزمة، و$I$ هي كثافة تدفق الحزمة، فإن جزيئات $N=IS$ تقع على نفس المنطقة المستهدفة كل ثانية. في المتوسط، تتفاعل جزيئات $\triangle N=IS\sigma n$ منها في الثانية الواحدة، حيث $\sigma $ هو المقطع العرضي الفعال لتفاعل جسيمات الشعاع، و$n$ هو تركيز النوى عند الهدف. ثم:

التصنيفات المختلفة للتفاعلات النووية

يمكن تصنيف التفاعلات النووية حسب الخصائص التالية:

• طبيعة الجزيئات التي تشارك في التفاعل؛
• العدد الكتلي للنوى المشاركة في التفاعل؛
• وراء تأثير الطاقة (الحرارية)؛
• حول طبيعة التحولات النووية.

بناءً على قيمة الطاقة $E$ للجسيمات المسببة للتفاعلات، يتم تمييز التفاعلات التالية:

• عند الطاقات المنخفضة ($E\le 1\keV$);
• عند الطاقات المنخفضة ($1\ keV\le E\le 1\ MeV$);
• عند الطاقات المتوسطة ($1\ MeV\le E\le 100\ MeV$);
• عند طاقات كبيرة ($100\ MeV\le E\le 1\ GeV)$؛
• عند الطاقات العالية ($1\ GeV\le E\le 500\ GeV$);
• عند الطاقات العالية للغاية (E> 500\GeV$).

اعتمادًا على طاقة الجسيم $a$، تحدث تحولات مختلفة في التفاعلات النووية لنفس النوى $A$. على سبيل المثال، فكر في تفاعل قذف نظير الفلور بنيوترونات ذات طاقات مختلفة:

الشكل 1.

اعتمادًا على طبيعة الجزيئات التي تشارك في التفاعلات النووية، يتم تقسيمها إلى الأنواع التالية:

• تحت تأثير النيوترونات.
• تحت تأثير الفوتونات.
• تحت تأثير الجسيمات المشحونة.

بناءً على العدد الكتلي للنوى، تنقسم التفاعلات النووية إلى الأنواع التالية:

• على النوى الخفيفة ($A
• على النوى المتوسطة (50 دولارًا
• على النوى الضخمة ($A> 100$).

بناءً على طبيعة التحولات التي تحدث في النواة، تنقسم التفاعلات إلى:

• التقاط الإشعاع
• إثارة كولوم؛
• الانشطار النووي.
• رد فعل الانفجار
• التأثير الكهروضوئي النووي.

عند النظر في التفاعلات النووية، يتم استخدام القوانين التالية:

• قانون الحفاظ على الطاقة.
• قانون الحفاظ على الزخم.
• قانون الحفاظ على الشحنة الكهربائية.
• قانون حفظ شحنة الباريون؛
• قانون حفظ شحنة اللبتون

ملاحظة 1

تتيح قوانين الحفظ إمكانية التنبؤ بردود الفعل العقلية الممكنة التي يمكن تحقيقها والتي لا يمكن تحقيقها بسبب فشل واحد أو أكثر من قوانين الحفظ. وفي هذا الصدد، تلعب قوانين الحفظ دورًا مهمًا بشكل خاص في التفاعلات النووية.

يتميز التفاعل النووي بطاقة التفاعل النووي $Q$. إذا استمر التفاعل بإطلاق طاقة $Q >0$، فإن التفاعل يسمى طاردًا للحرارة؛ إذا حدث التفاعل مع امتصاص الحرارة $Q

التفاعل النووي هو عملية معقدة لإعادة ترتيب النواة الذرية. كما هو الحال مع وصف بنية النواة، يكاد يكون من المستحيل الحصول على حل دقيق للمشكلة. وكما يتم وصف بنية النواة من خلال النماذج النووية المختلفة، فإن مسار التفاعلات النووية يتم وصفه من خلال آليات التفاعل المختلفة.

هناك العديد من آليات التفاعل المختلفة. سننظر فقط في أهمها. أولاً، سيتم تقديم تصنيف لآليات التفاعل، ومن ثم سيتم النظر في أهمها بمزيد من التفصيل.

سنقوم بتصنيف التفاعلات حسب وقت حدوثها. أنها مريحة للاستخدام كمقياس زمني الزمن النووي - زمن طيران الجسيم عبر النواة: تي أنا = 2R/v≈10 -22 ثانية. (9.11)

وسوف نستخدم التصنيف التالي للتفاعلات النووية حسب زمن حدوثها:

1. إذا كان زمن رد الفعل t p ≈t i، فهذا رد فعل مباشر (زمن رد الفعل ضئيل).

2.إذا t p >>t i، فإن التفاعل يستمر من خلال نواة مركبة.

في الحالة الأولى (رد الفعل المباشر)ينقل الجسيم (أ) الطاقة إلى واحد أو اثنين من نويات النواة دون التأثير على النيوكليونات الأخرى، ويترك النواة على الفور دون أن يكون لديه الوقت لتبادل الطاقة مع النيوكليونات المتبقية. على سبيل المثال، يمكن أن يحدث التفاعل (p، n) نتيجة اصطدام بروتون بنيوترون واحد من النواة. تشمل العمليات المباشرة تفاعلات التجريد (d,p), (d,n) وتفاعلات الالتقاط العكسية (p,d), (n,d) وتفاعلات التجزئة، التي يصطدم فيها النوكليون عالي الطاقة بالنواة. تم إخراج جزء يتكون من عدة نيوكليونات منه.

وفي الحالة الثانية (النواة المركبة)يصبح الجسيم أ والنوكليون الذي ينقل إليه الطاقة "متشابكين" في النواة. تتوزع الطاقة بين العديد من النيوكليونات، ولا يكفي لكل نيوكليون الهروب من النواة. فقط بعد فترة طويلة نسبيًا، نتيجة لعمليات إعادة التوزيع العشوائية، تتركز بكمية كافية على إحدى النيوكليونات (أو جسم مكون من عدة نيوكليونات مرتبطة) وتترك النواة. تم تقديم آلية النواة المركبة بواسطة نيلز بور في عام 1936.

يحتل موقعا وسطا بين آلية التفاعل من خلال النواة المركبة وآلية التفاعل المباشر. آلية التفاعلات النووية ما قبل التوازن.

يمكن تحديد الوقت الذي يستغرقه حدوث التفاعلات النووية من خلال تحليل عرض الدول النووية المثارة.

لوصف التشتت المرن المتوسط ​​على الرنين النووي، نستخدم النموذج البصري، حيث يتم التعامل مع النواة على أنها التواصل، قادر على انكسار وامتصاص موجات دي برولي من الجزيئات الساقطة عليه.

طبيعة التفاعل النووي يعتمد على عدد من العوامل: نوع القذيفة الجسيمية، ونوع النواة المستهدفة، وطاقة اصطدامها وبعض الأنواع الأخرى، مما يجعل أي تصنيف للتفاعلات النووية تعسفيًا إلى حد ما. أبسط واحد هو التصنيف حسب نوع الجسيمات المقذوفة. وفي إطار هذا التصنيف يمكن تمييز الأنواع الرئيسية التالية من التفاعلات النووية:

التفاعلات تحت تأثير البروتونات والديوترونات وجسيمات ألفا والنوى الخفيفة الأخرى. وكانت هذه التفاعلات هي التي قدمت المعلومات الأولى عن بنية النوى الذرية وأطياف حالاتها المثارة.

تفاعلات مع الأيونات الثقيلة على النوى الثقيلة، مما يؤدي إلى اندماج النوى المتصادمة. هذه التفاعلات هي الطريقة الرئيسية لإنتاج نوى ذرية فائقة الثقل.

تفاعلات اندماج النوى الخفيفة عند طاقات تصادم منخفضة نسبيًا ( ما يسمى بالتفاعلات النووية الحرارية). تحدث هذه التفاعلات بسبب نفق ميكانيكا الكم عبر حاجز كولوم. التفاعلات النووية الحراريةتتدفق داخل النجوم عند درجات حرارة 107 -1010 كلفن وهي المصدر الرئيسي للطاقة للنجوم.

إثارة كولوم للنوى تحت تأثير البروتونات وجسيمات ألفا وخاصة مضاعفة الأيونات الثقيلة المتأينة لعناصر مثل الكربون والنيتروجين والأرجون وما إلى ذلك. تُستخدم هذه التفاعلات لدراسة مستويات الدوران المنخفضة للنوى الثقيلة.

التفاعلات تحت تأثير النيوترونات، وبشكل أساسي (n، n)، (n، γ) وتفاعلات الانشطار النووي (n، f).

من قبل الكثيرين خصائص محددةلها تفاعلات نووية ضوئية وإلكترونية نووية تحدث أثناء الاصطدامات مع نوى الكميات والإلكترونات ذات الطاقة E> 10 MeV.

التفاعلات على حزم النوى المشعة. وتتيح الوسائل التقنية الحديثة توليد حزم شديدة الكثافة إلى حد ما من هذه النوى، مما يفتح إمكانية الحصول على نوى ودراستها بنسبة غير عادية من عدد البروتونات والنيوترونات، بعيدة عن خط الاستقرار.

لعبت دراسة التفاعلات النووية دورًا رئيسيًا في تطوير الأفكار حول بنية النوى، والتي قدمت معلومات شاملة حول دوران وتكافؤ الحالات المثارة للنوى وساهمت في تطوير نموذج القشرة. إن دراسة التفاعلات التي تنطوي على تبادل عدة نيوكليونات بين النوى المتصادمة قد مكنت من دراسة الديناميكيات النووية في حالة ذات زخم زاوي مرتفع. ونتيجة لذلك، تم اكتشاف نطاقات دورانية طويلة، والتي كانت بمثابة أحد الأسس لإنشاء نموذج معمم للنواة. عند تصادم النوى الثقيلة تتشكل نوى لا وجود لها في الطبيعة. توليف عناصر ما بعد اليورانيوميعتمد إلى حد كبير على فيزياء تفاعل النوى الثقيلة. في التفاعلات مع الأيونات الثقيلة، تتشكل نوى بعيدة عن نطاق الاستقرار بيتا. تختلف النوى البعيدة عن نطاق الثبات β عن النوى المستقرة في علاقة مختلفة بين كولوم والتفاعلات النووية، والعلاقة بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات، واختلافات كبيرة في طاقات الارتباط للبروتونات والنيوترونات، وهو ما يتجلى في أنواع جديدة من الاضمحلال الإشعاعي - النشاط الإشعاعي للبروتون والنيوترون وعدد من الأنواع الأخرى ميزات محددةالنوى الذرية.
عند تحليل التفاعلات النووية، من الضروري أن تأخذ في الاعتبار الطبيعة الموجية للجسيمات المتفاعلة مع النوى. تتجلى الطبيعة الموجية لعملية تفاعل الجزيئات مع النوى بوضوح في التشتت المرن. وهكذا، بالنسبة للنيوكليونات التي تبلغ طاقتها 10 ميغا إلكترون فولت، يكون الطول الموجي المخفض لدو برولي أقل من نصف قطر النواة، وعندما ينتشر النوكليون، يظهر نمط مميز من الحد الأقصى والحد الأدنى للحيود. بالنسبة للنيوكليونات التي تبلغ طاقتها 0.1 ميجا فولت، يكون الطول الموجي أكبر من نصف قطر النواة ولا يوجد حيود. للنيوترونات مع الطاقة<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
التفاعلات النووية هي وسيلة فعالة لدراسة الديناميكيات النووية. تحدث التفاعلات النووية عندما يتفاعل جزيئين. أثناء التفاعل النووي، يحدث تبادل نشط للطاقة والزخم بين الجزيئات، مما يؤدي إلى تكوين جسيم واحد أو أكثر يطير بعيدًا عن منطقة التفاعل. نتيجة للتفاعل النووي، تحدث عملية معقدة لإعادة ترتيب النواة الذرية. كما هو الحال مع وصف بنية النواة، عند وصف التفاعلات النووية يكاد يكون من المستحيل الحصول على حل دقيق للمشكلة. وكما يتم وصف بنية النواة من خلال النماذج النووية المختلفة، فإن مسار التفاعل النووي يتم وصفه من خلال آليات التفاعل المختلفة. تعتمد آلية التفاعل النووي على عدة عوامل - نوع الجسيم الحادث، ونوع النواة المستهدفة، وطاقة الجسيم الحادث وعدد من العوامل الأخرى. إحدى الحالات المقيدة للتفاعل النووي هي التفاعل النووي المباشر. في هذه الحالة، يقوم الجسيم الساقط بنقل الطاقة إلى واحد أو اثنين من نويات النواة، ويغادرون النواة دون التفاعل مع النيوكليونات الأخرى في النواة. الوقت المميز لحدوث التفاعل النووي المباشر هو 10 -23 ثانية. تحدث التفاعلات النووية المباشرة على جميع النوى عند أي طاقة للجسيم الساقط. تُستخدم التفاعلات النووية المباشرة لدراسة حالات الجسيم الواحد للنواة الذرية، وذلك لأن تحمل منتجات التفاعل معلومات حول موضع المستويات التي تم إخراج النوكليون منها. وباستخدام التفاعلات النووية المباشرة، تم الحصول على معلومات مفصلة عن طاقات واحتلال حالات الجسيم المفرد للنواة، والتي شكلت أساس نموذج غلاف النواة. حالة أخرى مقيدة هي ردود الفعل التي تحدث من خلال تكوين النواة المركبة.

تم تقديم وصف لآلية التفاعلات النووية في أعمال دبليو فايسكوبف.

في. فايسكوبف: "ماذا يحدث عندما يدخل جسيم إلى النواة ويصطدم بأحد المكونات النووية؟ ويوضح الشكل بعض هذه الاحتمالات.
1) يفقد الجسيم الساقط بعضاً من طاقته، مما يؤدي إلى رفع الجسيم النووي إلى حالة أعلى. سيكون هذا نتيجة للتشتت غير المرن إذا ترك للجسيم القادم طاقة كافية للهروب من النواة مرة أخرى. تسمى هذه العملية بالتشتت المباشر غير المرن لأنها تتضمن التشتت من مكون واحد فقط من النواة.
2) ينقل الجسيم الساقط الطاقة إلى الحركة الجماعية، كما هو موضح رمزيًا في الشكل الثاني من الشكل، وهذا أيضًا تفاعل مباشر.
3) في الرسم البياني الثالث من الشكل، الطاقة المنقولة كبيرة بما يكفي لانتزاع النواة من الهدف. تساهم هذه العملية أيضًا في التفاعل النووي المباشر. من حيث المبدأ، لا يختلف عن 1)، فهو يتوافق مع "رد فعل التبادل".
4) يمكن أن يفقد الجسيم الوارد الكثير من الطاقة بحيث يظل مقيدا داخل النواة، ويمكن أن يمتص الطاقة المنقولة بواسطة نيوكليون منخفض بطريقة لا يمكنها مغادرة النواة. نحصل بعد ذلك على نواة مثارة لا يمكنها إصدار نيوكليون. تؤدي هذه الحالة بالضرورة إلى مزيد من إثارة النيوكليونات عن طريق الاصطدامات الداخلية، حيث تنخفض الطاقة لكل جسيم متحمس في المتوسط، بحيث لا يتمكن النيوكليون في معظم الحالات من مغادرة النواة. وبالتالي، سيتم الوصول إلى حالة ذات عمر طويل جدًا، والتي لا يمكن أن تتحلل إلا إذا اكتسب جسيم واحد، من خلال الاصطدامات داخل النواة، طاقة كافية لمغادرة النواة عن طريق الخطأ. ونحن نسمي هذه الحالة تكوين نواة مركبة. يمكن أيضًا فقدان الطاقة عن طريق الإشعاع، وبعد ذلك يصبح انبعاث الجسيم مستحيلًا طاقيًا: سيتعرض النوكليون الساقط للالتقاط الإشعاعي.
5) يمكن أن يتم تكوين نواة مركبة في خطوتين أو أكثر إذا، بعد عملية من النوع 1) أو 2)، يصطدم نيوكليون حادث بنيوكليون آخر في طريقه ويثيره بطريقة تجعله يهرب من النواة. وتبين أن النواة مستحيلة بالنسبة لأي نيوكليون.

لأول مرة، تم التعبير عن فكرة حدوث تفاعل نووي من خلال مرحلة النواة المركبة من قبل N. Bohr. وفقًا لنموذج النواة المركبة، فإن الجسيم الساقط، بعد تفاعله مع واحد أو اثنين من نويات النواة، ينقل معظم طاقته إلى النواة ويتم التقاطه بواسطة النواة. عمر النواة المركبة أطول بكثير من زمن طيران الجسيم الساقط عبر النواة. يتم إعادة توزيع الطاقة التي يدخلها الجسيم الساقط إلى النواة بين نويات النواة حتى يتركز جزء كبير منها على جسيم واحد ثم يطير خارج النواة. يمكن أن يؤدي تكوين حالة مثارة طويلة الأمد إلى انشطارها نتيجة للتشوه.

ن. بور: "إن ظاهرة أسر النيوترونات تقودنا إلى افتراض أن الاصطدام بين نيوترون سريع ونواة ثقيلة لا بد أن يؤدي في المقام الأول إلى تكوين نظام معقد يتميز باستقرار ملحوظ. إن التفكك اللاحق المحتمل لهذا النظام الوسيط مع انبعاث جسيم مادي أو الانتقال إلى الحالة النهائية مع انبعاث كمية من الطاقة الإشعاعية يجب اعتباره عمليات مستقلة ليس لها علاقة مباشرة بالمرحلة الأولى من النظام. الاصطدام. نواجه هنا اختلافًا كبيرًا، لم يكن معروفًا من قبل، بين التفاعلات النووية الحقيقية - الاصطدامات العادية بين الجسيمات السريعة والأنظمة الذرية - الاصطدامات التي كانت حتى الآن بالنسبة لنا المصدر الرئيسي للمعلومات المتعلقة ببنية الذرة. وفي الواقع، فإن إمكانية حساب الجزيئات الذرية الفردية من خلال مثل هذه التصادمات ودراسة خصائصها ترجع، أولا وقبل كل شيء، إلى "انفتاح" الأنظمة قيد النظر، مما يجعل تبادل الطاقة بين الجزيئات المكونة الفردية أثناء الاصطدام مستبعدا للغاية . ومع ذلك، نظرًا لتجمع الجسيمات في النواة بشكل وثيق، يجب أن نكون مستعدين لحقيقة أن تبادل الطاقة هذا هو الذي يلعب الدور الرئيسي في التفاعلات النووية النموذجية.

تصنيف التفاعلات النووية.التفاعلات النووية هي وسيلة فعالة لدراسة بنية النوى الذرية. إذا كان الطول الموجي للجسيم الساقط أكبر من حجم النواة، ففي مثل هذه التجارب يتم الحصول على معلومات حول النواة ككل. إذا كان حجم النواة أصغر، فإنه من المقاطع العرضية للتفاعل يتم استخلاص معلومات حول توزيع كثافة المادة النووية، وبنية سطح النواة، والارتباط بين النيوكليونات في النواة، وتوزيع النيوكليونات على النواة. قذائف.

• يتم استخدام إثارة كولوم للنوى تحت تأثير الجسيمات المشحونة ذات الكتلة الكبيرة نسبيًا (البروتونات وجسيمات ألفا والأيونات الثقيلة من الكربون والنيتروجين) لدراسة مستويات الدوران المنخفضة للنوى الثقيلة.
• التفاعلات مع الأيونات الثقيلة على النوى الثقيلة، والتي تؤدي إلى اندماج النوى المتصادمة، هي الطريقة الرئيسية لإنتاج نوى ذرية فائقة الثقل.
• تفاعلات اندماج النوى الخفيفة عند طاقات تصادم منخفضة نسبيًا (ما يسمى بالتفاعلات النووية الحرارية). تحدث هذه التفاعلات بسبب نفق ميكانيكا الكم عبر حاجز كولوم. تحدث التفاعلات النووية الحرارية داخل النجوم عند درجات حرارة تتراوح بين 10 7 – 10 10 كلفن وهي المصدر الرئيسي للطاقة للنجوم.
• تحدث التفاعلات النووية الضوئية والإلكترونية النووية في تصادمات مع نوى الكميات والإلكترونات ذات الطاقة E > 10 MeV.
• تفاعلات انشطارية للنوى الثقيلة، مصحوبة بإعادة هيكلة عميقة للنواة.
• التفاعلات باستخدام حزم النوى المشعة تفتح إمكانية الحصول على نوى ودراستها بنسبة غير عادية من عدد البروتونات والنيوترونات، بعيدة عن خط الاستقرار.

تصنف التفاعلات النووية عادة وفقا لنوع وطاقة الجسيم الحادث، ونوع النوى المستهدفة، وطاقة الجسيم الحادث.

التفاعلات مع النيوترونات البطيئة

"في عام 1934، في صباح أحد الأيام، كان برونو بونتيكورفو وإدواردو أمالدي يختبران بعض المعادن بحثًا عن النشاط الإشعاعي. تم تشكيل هذه العينات على شكل أسطوانات صغيرة مجوفة متساوية الحجم، يمكن وضع مصدر نيوتروني بداخلها. لتشعيع مثل هذه الاسطوانة، تم إدخال مصدر نيوتروني فيها، ثم تم وضع كل شيء في صندوق الرصاص. في هذا الصباح المهم، أجرى أمالدي وبونتيكورفو تجارب على الفضة. وفجأة لاحظ بونتيكورفو أن شيئًا غريبًا كان يحدث للأسطوانة الفضية: لم يكن نشاطها هو نفسه دائمًا، بل كان يتغير اعتمادًا على مكان وضعها، في المنتصف أو في زاوية صندوق الرصاص. في حيرة كاملة، ذهب أمالدي وبونتيكورفو لإبلاغ فيرمي وراسيتي بهذه المعجزة. كان فرانكي يميل إلى إرجاع هذه الشذوذات إلى بعض الأخطاء الإحصائية أو القياسات غير الدقيقة. واقترح إنريكو، الذي كان يعتقد أن كل ظاهرة تحتاج إلى التحقق، أن يحاولوا إشعاع هذه الأسطوانة الفضية خارج صندوق الرصاص ومعرفة ما يخرج منها. وبعد ذلك بدأوا في تجربة معجزات لا تصدق على الإطلاق. اتضح أن الأشياء الموجودة بالقرب من الأسطوانة يمكن أن تؤثر على نشاطها. فإذا تم تشعيع الأسطوانة وهي واقفة على طاولة خشبية، كان نشاطها أعلى منه عندما كانت موضوعة على لوح معدني. الآن أصبحت المجموعة بأكملها مهتمة بهذا وشارك الجميع في التجارب. لقد وضعوا مصدر النيوترون خارج الأسطوانة ووضعوا أجسامًا مختلفة بينه وبين الأسطوانة. زادت لوحة الرصاص من النشاط قليلاً. يقود−مادة ثقيلة. "هيا، دعونا نجرب الأمر السهل الآن!"−اقترح فيرمي.−دعنا نقول البارافين." في صباح يوم 22 أكتوبر، تم إجراء تجربة مع البارافين.
أخذوا قطعة كبيرة من البارافين، وأحدثوا ثقبًا فيها، ووضعوا مصدرًا نيوترونيًا بداخلها، وقاموا بتشعيع أسطوانة فضية وأحضروها إلى عداد جيجر. نقر العداد كما لو أنه قطع السلسلة. اهتز المبنى بأكمله بالتعجب: "لا يمكن تصوره! لا يمكن تصوره! السحر الأسود!" زاد البارافين النشاط الإشعاعي الاصطناعي للفضة مائة مرة.
عند الظهر، تفرقت مجموعة الفيزيائيين على مضض للحصول على استراحة لتناول الإفطار، والتي كانت تستمر عادة لمدة ساعتين... استغل إنريكو وحدته، وعندما عاد إلى المختبر، كان لديه بالفعل نظرية جاهزة تشرح ذلك عمل غريبالبارافين."

11.1. تعريف وتصنيف التفاعلات النووية.هناك تفسيرات مختلفة لهذا المصطلح التفاعلات النووية. بالمعنى الواسع، التفاعل النووي هو أي عملية تبدأ بتصادم جسيمين، نادرًا ما يكون هناك عدة جسيمات (بسيطة أو معقدة) وتستمر، كقاعدة عامة، بمشاركة تفاعلات قوية. ويكتفي بهذا التعريف التفاعلات النوويةبالمعنى الضيق للكلمة، والتي تُفهم على أنها عمليات تبدأ بتصادم جسيم بسيط أو معقد (النوكليون، α- جسيم، γ- الكم) مع نواة. لاحظ أن تعريف رد الفعل يرضي حالة خاصة، وتناثر الجسيمات. ويرد أدناه مثالان على التفاعلات النووية.

تاريخياً أول تفاعل نووي (رذرفورد 1919 - اكتشاف البروتون):

α + 14 ن → 17 يا + ص.

اكتشاف النيوترون (تشادويك، 1932):

α + 9 كن → 12 ج + ن.

تعد دراسة التفاعلات النووية ضرورية للحصول على معلومات حول خصائص النوى الجديدة والجسيمات الأولية، والحالات المثارة للنوى، وما إلى ذلك. يجب ألا ننسى أنه في العالم الصغير، بسبب وجود قوانين الكم، لا يمكن "النظر" إلى جسيم أو نواة. ولذلك فإن الطريقة الرئيسية لدراسة الأجسام الدقيقة هي دراسة تصادماتها، أي التفاعلات النووية. ومن حيث التطبيقات، هناك حاجة إلى التفاعلات النووية لاستخدام الطاقة النووية، وكذلك لإنتاج النويدات المشعة الاصطناعية.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية في الظروف الطبيعية(على سبيل المثال، في داخل النجوم أو في الأشعة الكونية). لكن دراستهم تتم عادة في ظروف معملية في منشآت تجريبية. لإجراء التفاعلات النووية، من الضروري جمع الجزيئات أو النوى مع النوى على مسافات حسب نصف قطر عمل القوى النووية. يمنع حاجز كولوم الجسيمات المشحونة من الاقتراب من النواة. لذلك، يتم استخدام التفاعلات النووية على الجزيئات المشحونة المسرعات، حيث تتسارع الجسيمات في مجال كهربائي، وتكتسب الطاقة اللازمة للتغلب على الحاجز. في بعض الأحيان تكون هذه الطاقة مماثلة لطاقة بقية الجسيم أو حتى تتجاوزها: في هذه الحالة، يتم وصف الحركة بقوانين الميكانيكا النسبية. في المسرعات التقليدية ( مسرع خطي, السيكلوترونوما إلى ذلك) يكون أثقل الجسيمين المتصادمين، كقاعدة عامة، في حالة سكون، ويصطدم به الجسم الأخف. يسمى الجسيم الساكن هدف (إنجليزي- هدف). المهاجمين أو قصف، لم تحصل الجسيمات باللغة الروسية على اسم خاص (في إنجليزييتم استخدام مصطلح المقذوف - المقذوف). في تصادم مسرعات الشعاع ( المصادمات) كلا الجسيمين المتصادمين يتحركان، وبالتالي فإن التقسيم إلى هدف وحزمة من الجسيمات الساقطة يفقد معناه.

قد تكون طاقة الجسيم المشحون في التفاعل أقل من ارتفاع حاجز كولوم، كما كان الحال في التجارب الكلاسيكية التي أجراها ج. كوكروفت وإي. والتون، اللذين قاما في عام 1932 بتقسيم نوى الليثيوم بشكل مصطنع عن طريق قصفها بالبروتونات المتسارعة. . في تجاربهم، حدث اختراق البروتون داخل النواة المستهدفة عن طريق نفق عبر حاجز كولوم المحتمل (انظر المحاضرة 7). احتمالية مثل هذه العملية، بالطبع، منخفضة للغاية بسبب انخفاض شفافية الحاجز.

هناك عدة طرق لكتابة التفاعلات النووية بشكل رمزي، نذكر اثنتان منها أدناه:

مجموعة من الجسيمات المتصادمة في حالة كمية معينة (على سبيل المثال، صو 7 لي) تسمى قناة الإدخالالتفاعل النووي. في تصادمات نفس الجسيمات (قناة الإدخال الثابتة)، في الحالة العامة، يمكن أن تظهر منتجات تفاعل مختلفة. وهكذا، في تصادمات البروتونات مع 7 Li، تكون ردود الفعل 7 Li( ص، 2α)، 7 لي( ص, ن) 7 بي، 7 لي( ص, د) 6 كن، وما إلى ذلك. في هذه الحالة نتحدث عن العمليات المتنافسة، أو عن مجموعة قنوات الإخراج.

غالبًا ما تُكتب التفاعلات النووية بشكل أقصر: ( أ, ب) - أي. تشير فقط إلى جزيئات الضوء ولا تشير إلى النوى المشاركة في التفاعل. على سبيل المثال الإدخال ( ص, ن) يعني إخراج النيوترون من النواة بواسطة بروتون، ( ن, γ ) – امتصاص النيوترون بواسطة النواة مع الانبعاث γ -الكميات، الخ.

تصنيف التفاعلات النوويةيمكن تنفيذها وفقًا للمعايير التالية:

I. حسب نوع العملية

1) التقاط الإشعاع :( ن, γ ), (ص, γ )

2) التأثير الكهروضوئي النووي :( γ , ن), (γ , ص)

3) تفاعلات النوكليون والنوكليون:

أ) التخلص من نواة أو مجموعة من النيوكليونات ( ن,ص), (ص، أ)، الخ.

ب) "تبخر" النيوكليونات ( ص, 2ن), (ص, 2ص) إلخ.

ج) انهيار ( د,ص), (د,ن) والالتقاط ( ص,د), (ن,د)

4) القسمة : ( ن, و), (ص, و), (γ , و)

5) التوليف (الانصهار)

6) التشتت غير المرن :( ن,ن')

7) التشتت المرن :( ن,ن)

ثانيا. على أساس إطلاق أو امتصاص الطاقة

1) التفاعلات الطاردة للحرارة

2) التفاعلات الماصة للحرارة

ثالثا. بواسطة طاقة قصف الجسيمات

1) الطاقات المنخفضة (< 1 кэВ)

2) الطاقات المتوسطة (1 كيلو إلكترون فولت - 10 ميجا فولت)

3) الطاقات العالية (> 10 ميجا فولت)

رابعا. بواسطة كتلة النوى المقذوفة

1) على النوى الخفيفة ( أ < 50)

2) على نوى متوسطة الكتلة (50<أ < 100)

3) على النوى الثقيلة ( أ > 100)

V. حسب نوع جزيئات القصف

1) على الجسيمات المشحونة ( ص, د, α والأيونات الأثقل)

2) النيوترونات

3) على الفوتونات (التفاعلات النووية الضوئية)

11.2. قانون الحفاظ على الطاقة.للتفاعل النووي نفسه منظر عام

أ + ب → ج+ د+ه+…

دعونا نكتب قانون حفظ الطاقة بدلالة الطاقات الساكنة والطاقات الحركية:

ضخامة س، يعرف بأنه فرق الطاقة الباقي:

مُسَمًّى طاقة التفاعل. من الواضح أن

لو س> 0، ثم يسمى هذا التفاعل طارد للحرارة. في هذه الحالة سهو الفرق بين الطاقات الحركية لجميع المشاركين في التفاعل قبل وبعد التمدد، المحدد في نظام الإحداثيات المرتبط بمركز القصور الذاتي (SCI، أو نظام ts). يمكن أن يحدث تفاعل طارد للحرارة بأي قيمة الطاقة الحركيةتصادم الجزيئات، بما في ذلك عند الصفر.

لو س < 0, то реакцию называют ماص للحرارة. التفاعل العكسي للتفاعل الطارد للحرارة يكون دائمًا ماصًا للحرارة، والعكس صحيح. مقاس - س V نظام tsهي الحد الأدنى من الطاقة الحركية للجزيئات المتصادمة التي لا يزال التفاعل ممكنًا عندها، أو، عتبةردود الفعل.

عند الانتقال إلى نظام إحداثيات المختبر (الشكل 11.1) أو LCS أو ببساطة نظام ل، حيث يكون أحد الجسيمات المتفاعلة في حالة سكون - القيمة المستهدفة لعتبة التفاعل هيزيد بسبب يذهب جزء من الطاقة الحركية إلى حركة مركز القصور الذاتي التي لا فائدة منها في التفاعل. في الواقع، يمكن أن تكون الطاقة الحركية لحركة مركز القصور الذاتي كبيرة بشكل تعسفي، ولكن إذا كانت الجسيمات في حالة سكون بالنسبة لبعضها البعض، فلن يحدث التفاعل.

لتحديد عتبة التفاعل في نظام لدعونا نستفيد من حقيقة وجود الكتلة، وبالتالي طاقة الراحة ثابت، أي. كمية لا تعتمد على اختيار نظام الإحداثيات. لأن ، ثم لأي عدد من الجزيئات

إذا كان الهدف في التفاعل قيد النظر هو جسيم في، ثم في نظام ل

في نظام ts

وكما ذكر أعلاه، فإن العتبة هي نظام tsيتوافق مع ولادة الجزيئات مع, دإلخ. مع الطاقات الحركية صفر، أي. إلخ. و . الكتلة الثابتة في نظام ل

الكتلة الثابتة المقابلة للعتبة في نظام ts

إذا قمنا الآن بمساواة المتغيرين اللذين تم الحصول عليهما لـ ، إذن

. (11.3)

وبالتالي، فإن عتبة التفاعل الماص للحرارة تكون دائمًا أكبر من طاقة التفاعل الطارد للحرارة العكسي س. وكما يتبين من التعبير الناتج، كلما زادت كتلة الهدف، انخفضت عتبة التفاعل الماص للحرارة.

11.3. دور الزخم المداري.الزخم الزاوي لجسيم له زخم ص، الحادث على نواة ثابتة، يساوي صفحة، أين ب– معلمة الاستهداف وفقا للمفاهيم الكلاسيكية، يمكن أن يحدث رد الفعل فقط في الحالات التي تكون فيها معلمة التأثير هذه أقل من نصف قطر عمل القوى النووية، أي. ب < ر. في ميكانيكا الكم، قيمة الزخم المداري

(- الطول الموجي لدو برولي). ثم يجب أن يستمر عدم المساواة

. (11.4)

للنيوترون مع الطاقة ت= 1 ميغا إلكترون فولت، أي يمكن مقارنتها بحجم النواة . أما بالنسبة للنيوترونات والبروتونات ذات الطاقة المنخفضة فهي أكبر بكثير. وبالتالي، بالنسبة للجسيمات ذات الطاقات المنخفضة والمتوسطة، فإن عدم المساواة (11.4) يكون راضيًا، بالمعنى الدقيق للكلمة، فقط في ظل الشرط ل= 0 (أقل في كثير من الأحيان مع ل = 1).

مع الأخذ في الاعتبار الخصائص الكمومية للنظام، فإن التفاعل ممكن من حيث المبدأ لأي شخص لولكن احتمال حدوث رد فعل ينخفض ​​بشكل حاد إذا كانت العلاقة (11.4) غير راضية. والسبب هو أن النيوترونات في هذه الحالة تحتاج إلى التغلب على حاجز الطرد المركزي. ولكن، كما ظهر عند النظر في انبعاث الكميات جاما بواسطة النوى (المحاضرة 9)، فإن معامل الشفافية لحاجز الطرد المركزي

,

أولئك. يتناقص بشكل حاد مع النمو ل. إذا لم يعد تقريب الطول الموجي الطويل صحيحًا (أي أن الجسيمات المقذوفة لديها طاقة عالية جدًا)، فمن الممكن أيضًا التفاعل مع ل، يختلف عن الصفر.

11.4. المقطع العرضي وإنتاجية التفاعل النووي.الوصف الكمي للتفاعلات النووية من حيث ميكانيكا الكمربما فقط إحصائية، أي. واحد، من حيث المبدأ، يمكننا أن نتحدث فقط عن احتمال رد الفعل نفسه. الخصائص الاحتمالية الرئيسية للتفاعلات النووية قسمو مخرج، والذي يرد تعريفه أدناه. دعونا، عندما يسقط تدفق الجزيئات أعلى هدف رفيع (ولكن مجهري) يحتوي على نوى فيفإنه يشكل دي إن سيالنوى مع(الشكل 11.2). هذه الكمية تتناسب مع عدد الجزيئات أ، كثافة عدد الجسيمات المستهدفة ن ب(م -3) وسمك الهدف dx(م):

.

قسمردود الفعل أ + في → مع+ ··· يتم تعريفه بعد ذلك على أنه معامل التناسب، أي.

, (11.5)

ويترتب على التعريف (11.5) أن المقطع له البعد المساحي (م2). في الفيزياء النووية 1 يستخدم كوحدة القسم الحظيرة: 1 ب = 10 –28 م2.

بصريا، يمكن اعتبار المقطع العرضي بمثابة المنطقة الفعالة للهدف، عند دخول أي جسيم يسبب التفاعل المطلوب. ولكن بسبب الخصائص الموجية للجسيمات، فإن مثل هذا التفسير له نطاق محدود من التطبيق. في الواقع، من وجهة نظر ميكانيكا الكم، هناك احتمال غير صفر لمرور جسيم دون انحراف عبر المنطقة التي تؤثر فيها القوى عليه. ثم سيكون المقطع العرضي للتفاعل الفعلي أصغر المقطع العرضيالمنطقة التي يحدث فيها التفاعل. في هذه الحالة، قياسا على البصريات، يتم استدعاء النواة المستهدفة شفافة جزئيا، أو رمادي.

في التجارب الفيزيائية الحقيقية، ليس من الممكن دائمًا قياس المقطع العرضي للتفاعل. الكمية القابلة للقياس المباشر هي مخرجالتفاعل، الذي يُعرَّف بأنه جزء من جسيمات الحزمة التي تفاعلت مع النوى المستهدفة. دعونا نعبر عن ناتج التفاعل بدلالة مقطعه العرضي، بشرط أن يظل الأخير ثابتًا أثناء مرور الجسيمات الساقطة عبر الهدف. عدد النوى معتتشكل في طبقة رقيقة من الهدف نتيجة التفاعل مع الجزيئات أ، يساوي

,

أين ن 0 – العدد الإجماليجزيئات أ، اشتعلت في طبقة سميكة dx, ن أ– عدد الجزيئات التي تمر عبر الطبقة دون تفاعل . من هنا . ثم، وفقا ل(11.5)،

عدد الجزيئات أ، مروراً بطبقة مستهدفة ذات سماكة محدودة حفنجد بتكامل هذه المعادلة :

,

وباستخدام تعريف ناتج التفاعل على أنه جزء من الجزيئات التي خضعت للتحول، نجد ذلك

هدف رقيقيتوافق مع الأس الأس الصغيرة مقارنة بالوحدة. في هذه الحالة، يعطي التوسيع (11.6) إلى متسلسلة تايلور

11.5. آليات التفاعلات النووية.بالإضافة إلى التصنيف الوارد في الفقرة 11.1، تختلف التفاعلات النووية في الزمن، وبالتالي في آلية حدوثها. من الملائم استخدام التوقيت النووي كمقياس زمني - زمن طيران الجسيم عبر النواة: τ أنا = 2ر/ضد≈ 10–22 ثانية (القسم 2.2). من الواضح أن τ السم- الحد الأدنى من الوقت اللازم لإكمال الفعل الأولي لأسرع رد فعل.

سوف نستخدم التصنيف التالي للتفاعلات وفقًا لآليتها. إذا كان وقت الفعل الابتدائي ر ص ≈ τ السم، تسمى ردود الفعل هذه مستقيم. وفي حالة التفاعلات المباشرة فإن الجسيم أينقل الطاقة إلى واحد أو أكثر من النيوكليونات في النواة أ، وبعد ذلك يغادرون القلب على الفور، دون أن يكون لديهم الوقت لتبادل الطاقة مع الباقي:

أ + أ → ب + ب.

لو ر ص >> τ السم، ثم يستمر التفاعل خلال مرحلة التكوين نواة مركبة:

أ + أ → مع* → ب + ب.

تم تقديم مفهوم النواة المركبة في الفيزياء بواسطة ن. بور في عام 1936. النواة المركبة مع*- حالة الإثارة للنواة مع، وطاقة الإثارة

(11.7)

أين ت أ- الطاقة الحركية للجسيمات أ,دبليو أ- طاقة انفصالها عن النواة مع. وتنقسم طاقة الإثارة بين أ+ أالنيوكليونات من النواة المركبة، وفي المتوسط ​​لكل نيوكليون هناك

. (11.8)

وبالتالي، فإن كل من النيوكليونات على حدة ليس لديها طاقة كافية للانبعاث. نتيجة للعديد من الاصطدامات، الجسيم أ"يتشابك" في القلب ويفقد فرديته. إلا بعد فترة ر ص>> τ السمونتيجة لإعادة التوزيع العشوائي للطاقة، يمكن تركيز كمية كافية من الطاقة على أحد النيوكليونات (أو مجموعة من النيوكليونات). في هذه الحالة، يترك النيوكليون (مجموعة النيوكليونات) النواة المركبة ويضمحل.

قم بتقدير متوسط ​​عمر النواة المركبة بشكل تقريبي مع*يمكن القيام به على النحو التالي. لنفترض أنه مباشرة بعد تصادم الجزيئات هناك توزيع نالكميات الطاقة الإثارة بين ودرجات الحرية بنيو واحد. إجمالي عدد التوزيعات الممكنة هو

. (11.9)

ويمكن توضيح اشتقاق الصيغة (11.9) من خلال الرسم البياني التالي: - التوزيع نالكميات تعبر بواسطة وخلايا منفصلة عن بعضها البعض وناقص سطر واحد. إجمالي عدد التباديل (أي إجمالي عدد حالات النظام) لجميع التقاطعات وجميع الشرطات يساوي ( ن+ و – 1)! ومع ذلك، التباديل من الصلبان والشرطات فقط، أعدادها متساوية ن! و ( و – 1)! وفقا لذلك، لا تؤدي إلى دول جديدة. ونتيجة لذلك، فإن العدد الحقيقي للدول هو ن!(و – 1)! مرات أقل.

لنفترض كذلك، لتبسيط الاستدلال، أن تفاعل انبعاث النيوكليونات يحدث تحت تأثير الجسيمات ذات الطاقة المنخفضة، بحيث ه* ≈ دبليو أ. ثم لكي يستمر التفاعل، من الضروري تركيز كل شيء نالكميات عند درجة واحدة من الحرية عدد الحالات في هذه الحالة يساوي ببساطة و. سلوك ث = و/زوسوف تحدد احتمالية هروب النوكليون من نواة مركبة، أي. ردود الفعل.

تبلغ طاقة ربط النوكليون بالنواة في المتوسط ​​حوالي 8 ميجا إلكترون فولت. حجم كمية الإثارة حوالي 0.5 MeV. ثم ن= 8 MeV/0.5 MeV = 16. وبالنظر إلى أنه نتيجة للتفاعل، فإن انفصال النوكليون على الأرجح من الغلاف الخارجي فقط، يمكننا أن نضع و ≈ ن. بالتعويض بهذا في (11.9) نجد ذلك

ل ن= 16 لدينا ث= 5∙10 –8. تحدث التغيرات في حالة النواة بتردد 1/ τ السم، وبالتالي ثابت الاضمحلال للنواة المركبة  ج* = ث /τ السم، ومتوسط ​​العمر τ س* = 1/ ج*- حوالي 10-14 ثانية. حقا τ ج*>> τ السم.

ويمكن ملاحظة أن النواة المركبة لا تختلف جوهريا عنها النواة المشعة. كما أنه يميل إلى فقدان الطاقة بسبب أي عملية ممكنة في ظل ظروف معينة. لقد سبق أن تمت مناقشة إحدى هذه العمليات (تجريد النيوكليونات) أعلاه. بالنسبة للنواة المركبة، يمكن أن توجد عدة قنوات اضمحلال في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يحدث الانتقال إلى الحالة الأرضية نتيجة لانبعاث كمية جاما (يسمى هذا التفاعل التقاط الإشعاع). يحدث انبعاث الكميات من النواة تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية، أي. على المقياس الزمني النووي بطيء جدًا أيضًا (بعد 10 –11 –10 –7 ثانية - راجع القسم 9.3). وبالتالي، تحدث تفاعلات الالتقاط الإشعاعي أيضًا من خلال النواة المركبة.

يمكن كتابة المقطع العرضي للتفاعل الذي يمر عبر نواة مركبة على الصورة

, (11.11)

أين ث ب– احتمال اضمحلال نواة مركبة عبر قناة ب، و

يسمى اعتماد المقطع العرضي للتفاعل النووي على الطاقة الحركية للجسيمات الساقطة وظيفة الإثارة.

المعلومات ذات الصلة.

التفاعل النووي هو عملية إعادة ترتيب النواة، يصاحبها توليد جسيمات جديدة، تنشأ تحت تأثير أو نتيجة تفاعل نواتين أو نواة وجسيم عندما تقترب من مسافات يكون عندها فعل بدأت القوات النووية في الظهور.

في الظروف المختبرية، تتم التفاعلات النووية بشكل رئيسي عن طريق قصف النوى بحزم من الجسيمات السريعة. ونتيجة للاصطدام، تظهر جزيئات جديدة، ويتم إعادة توزيع طاقة وزخم الجسيمات.

يتم تسجيل التفاعل إما بشكل مشابه لتسجيل التفاعلات الكيميائية:

أو، وهو أكثر شيوعا في الفيزياء النووية، مثل

حيث a هو جسيم شعاعي، A هو نواة مستهدفة، جسيم منبعث، B هو نواة المنتج (أو النواة النهائية).

يحتوي السجل الكامل للتفاعل النووي على رموز العناصر وعدد الشحنات والأعداد الكتلية. على سبيل المثال، يمكن كتابة رد الفعل الأول الذي قام به رذرفورد في عام 1919 على النحو التالي:

لو نحن نتحدث عنهعن النوع العامرد الفعل، بغض النظر عن نوع الهدف، يتم التسجيل بالشكل التالي:

يشير الحرف الأول بين القوسين إلى نوع الجسيم الحادث، ويشير الحرف (أو الحروف) بعد العلامة العشرية إلى الجسيمات التي تنتج نتيجة التفاعل غير نواة الارتداد.

يمكن أن يؤدي تصادم الجسيم المقذوف مع النواة المستهدفة إلى تأثيرات مختلفة:

1. التشتت المرن هو تفاعل يحتفظ فيه الجسيم والنواة بفرديتهما ولا تحدث سوى إعادة توزيع للطاقة الحركية. حركة الجزيئات بعد التفاعل تخضع للقوانين تأثير مرن. تكوين و الطاقة الداخليةلا تتغير النواة وكذلك نوع الجسيم:

2. التشتت غير المرن. في هذه الحالة، ينبعث جسيم من نفس نوع الحادث، لكن النواة النهائية تتشكل في حالة مثارة، ويشار إليها بعلامة النجمة. تكوين النواة أيضًا لا يتغير:

3. التفاعل النووي نفسه هو تفاعل تتغير فيه الخصائص الداخلية وتكوين النواة المستهدفة ويتم إطلاق جسيم جديد:

كل نوع من هذه المعادلات يحدد، كما يقولون، قناة التفاعل الخاصة به.

المقاطع العرضية ونواتج التفاعلات النووية.

عند دراسة التفاعل النووي، فإنهم يسعون جاهدين لتحديد: احتمال حدوثه من خلال قنوات مختلفة في طاقات مختلفة من الجسيمات الحادثة - ما يسمى "عائد" هذا التفاعل، والتوزيع الزاوي والطاقة لمنتجات التفاعل.

كما ذكرنا سابقًا، يعبر المقطع العرضي للتفاعل الفعال عن احتمال حدوث تحول معين عند قصف النواة بتدفق بكثافة جسيم واحد في الثانية، إذا كان الهدف يحتوي على نوى وسقط عليه تدفق من جزيئات I في ثانية واحدة ، ثم تحدث التحولات النووية في ثانية واحدة. إجمالي المقطع العرضي الفعال هو مجموع المقاطع العرضية للعمليات عبر جميع القنوات

خاصية هامةرد الفعل هو اعتماد المقطع العرضي الفعال على طاقة الجسيم الساقط:

وتسمى هذه التبعيات وظائف إثارة التفاعل النووي.

ناتج التفاعل عند طاقة معينة من الجسيمات الساقطة، أي نسبة عدد أحداث التفاعل التي حدثت إلى عدد الجسيمات الساقطة على الهدف، بشرط أن يقع نفس تدفق الجسيمات القاذفة على جميع نوى الهدف. يمكن حساب المحصول من خلال معرفة المقطع العرضي الفعال للعملية حيث يكون عدد ذرات الهدف في عمود ذو مقطع عرضي وارتفاعه يساوي سمك الهدف

إذا كانت كثافة المادة المستهدفة، ثم

بالنسبة لهدف سميك، حيث يحدث تغير في الطاقة وانخفاض في تدفق الجزيئات، فإن التعبير عن ناتج التفاعلات النووية له شكل أكثر تعقيدًا.