Атомная физика | Физические законы механики | Термодинамика | Электричество | Магнетизм | Оптика | Молекулярная физика | Физмат.ру
Математика 1 семестр | Математика 2 семестр | Математика 3 семестр | Математика 4 семестр | Интегралы | 1 курс

Ядерная физика начало

Реакции под действием заряженных частиц

3. Реакции под действием протонов

При бомбардировке ядер протонами могут идти реакции типа (р, a),(р, n),(р, g).

Реакции типа (р, a) бывают обычно экзоэнергетическими. В соответствии энергетической диаграммой ядерной реакции, изображенной на рис. 4.4.1а, энергия реакции Q = εa -  εb. Так какεр  8 МэВ, а энергия связи α-частицы εα в ядре изменяется, согласно таблицы 4.6.1, от 8 до –5 МэВ, то Q > 0.

Однако вылету α-частицы из ядра препятствует кулоновский барьер и вероятность вылета из тяжелых ядер не может быть большой, так как для сообщения α-частице большой кинетической энергии возбужденное промежуточное ядро должно переходить на нижние, редко расположенные энергетические уровни, а вероятность таких переходов мала.

Для легких ядер, у которых кулоновский барьер невелик и составляет несколько МэВ, проблем с вылетом α-частиц нет. Например, реакции на легких ядрах

(4.6.10)

(4.6.11)

были одними из первых, полученных на ускорителях протонов Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г.

Реакции типа (р, n) являются всегда эндоэнергетическими с энергией реакции Q меньше, чем -0,8 МэВ. По определению

.

(4.6.12)

Но

(4.6.13)

а

,

(4.6.14)

иначе ядро А будет переходить в ядро В путем β-распада. Подставив неравенства (4.6.13) и (4.6.14) в (4.6.12), получим следующий результат

Q < -0,8 МэВ.

(4.6.15)

Например,реакция

(4.6.16)

имеет Q = -2,76 МэВ.

Ввиду того, что в результате реакции (р, n) ядро-продукт приобретает добавочный протон, оно, как правило испытывает β+-распад или Е‑захват. Ядро , возникающее в реакции (4.6.15), не является исключением.

Реакции с протонами часто используют для получения монохроматических нейтронов (см. §4.9).

 

Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называют виртуальными.

Если поблизости от нуклона нет других частиц, то все испущенные нуклоном виртуальные π-мезоны поглощаются этим же нуклоном. В этом случае говорят, что одиночный нуклон всегда окружен так называемой «мезонной шубой». Это облако виртуальных π-мезонов, которые безостановочно испускаются и поглощаются нуклоном, удаляясь от него в среднем на расстояние l не более, чем комптоновская длина волны (16.8).

Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами — возникает ядерное взаимодействие. В этом и состоит механизм взаимодействия нуклонов. Мы видим, что радиус действия ядерных сил имеет порядок комптоновской длины волны (16.8). Из опыта известно, что этот радиус порядка 10-13 см, что позволяет с помощью (16.8) оценить массу π-мезона: тπ~ 270те.

Зависимость радиуса действия ядерных сил от массы виртуальных частиц — переносчиков взаимодействия — это фундаментальный квантовый закон. Именно этим законом определяется дальнодействие электромагнитных сил, поскольку кванты электромагнитного поля — виртуальные фотоны являются безмассовыми частицами, которые могут иметь сколь угодно малую энергию.

Если нуклону передать энергию не меньше, чем энергия покоя π-мезона, то один или несколько виртуальных мезонов могут быть превращены в обычные π-мезоны, существующие независимо от нуклона. Это происходит, например, при столкновении нуклонов достаточно высоких энергий.

Существуют положительный (π+), отрицательный (π-) и нейтральный (π0) мезоны. Заряд π+- и π- -мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных π-мезонов одинакова и равна 273 mе (140 МэВ), масса π0-мезона равна 264 те (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального π-мезона равен нулю (s = 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни л+- и π--мезонов составляет 2,60-10-8 с, π0-мезона — 0,8-10-16 с.

Подавляющая часть заряженных π-мезонов распадается по схеме

(16.9)

(µ+ и µ- — положительный и отрицательный мюоны, ν — нейтрино, —антинейтрино). Большинство π0-мезонов распадаются на два γ-кванта:

(16.10)

Мюоны имеют положительный (µ+) или отрицательный (µ-) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна 207 те (106 МэВ), спин — половине (s = 1/2). Мюоны, как и π-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:

(16.11)

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,2-10-6 с.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов

(16.11)

(16.12)

нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных π-мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:

(16.13)

Реакции под действием заряженных частиц