Фотоядерна реакція

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

Це явище відкрили 1934 року Чедвік і Гольдхабер і далі досліджували Боте і Вольфганг Гентнер, а потім і Нільс Бор.

При поглинанні гамма-кванту ядро отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро з надлишком енергії є складеним ядром. 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 $(\gamma ,n)$ і $(\gamma ,p),$ які називаються фотоядерними, а явище випромінювання нуклонів у цих реакціях — ядерним фотоефектом. Позначення:

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

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

Фотоядерні реакції ідуть з утворенням складеного ядра, однак при збудженні реакцій $(\gamma ,p)$ на ядрах з масовим числом $A>100$ 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 $(\gamma ,p)$-реакції на важких і середніх ядрах. Реакція ж $(\gamma ,n)$ завжди іде з утворенням складеного ядра.

Першою спостережуваною фотоядерною реакцією було фото-розщеплення дейтрона:

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

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).

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 $(\gamma ,n)$. 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.

Посилання

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