Фотоядерна реакція

Фотоядерні реакції (англ. photodisintegration, phototransmutation) — ядерні реакції, що відбуваються при поглинанні гамма-квантів ядрами атомів[1]. Явище випромінювання ядрами нуклонів при ції реакції називається ядерним фотоефектом.

Ядерна фізика
Радіоактивний розпад Термоядерна реакція Ядерна реакція Ядро атома
Основні терміни Ізобари Ізотопи Краплинна модель ядра Ланцюгова ядерна реакція Масове число Період напіврозпаду Поперечний переріз реакції Складене ядро Ядро атома
Розпад ядер Альфа-розпад Бета-розпад Експоненційний розпад Кластерний розпад
Складний розпад Електронне захоплення Подвійне електронне захоплення Подвійний бета-розпад Внутрішня конверсія Ізомерний перехід
Випромінювання Гамма-промені Нейтронний розпад Позитронний розпад Протонний розпад Фотоядерна реакція
Захоплення Електронне захоплення Захоплення нейтронів (r-процес s-процес) Захоплення протонів (p-процес rp-процес) Нейтронізація
Поділ ядра Спонтанний поділ Розщеплення під впливом космічних променів Фотоядерна реакція Реакції сколювання
Нуклеосинтез Вуглецева детонація Вуглецево-азотний цикл Зоряний нуклеосинтез Нуклеосинтез наднової Первинний нуклеосинтез Потрійна альфа-реакція Протон-протонний ланцюжок Реакції сколювання Спалах гелієвого ядра Ядерне горіння вуглецю Ядерне горіння кисню Ядерне горіння кремнію Ядерне горіння неону
Відомі науковці Беккерель Бете Бор Вілер Гейзенберг М. Кюрі П. Кюрі Резерфорд Содді Фермі

Це явище відкрили 1934 року Чедвік і Гольдхабер[2] і далі досліджували Боте і Вольфганг Гентнер[3], а потім і Нільс Бор[4][5].

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 ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ і ${\displaystyle (\gamma ,p),}$ які називаються фотоядерними, а явище випромінювання нуклонів у цих реакціях — ядерним фотоефектом. Позначення:

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

В теорії фотоядерних реакцій використовується статистична модель складеного ядра і модель резонансного прямого фотоефекту[6].

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

Першою спостережуваною фотоядерною реакцією було фото-розщеплення дейтрона:

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

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[7]).

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 ${\displaystyle (\gamma ,n)}$. 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[1].