Фотоядерные реакции

Фотоядерные реакции (англ. photodisintegration, phototransmutation) — ядерные реакции, происходящие при поглощении гамма-квантов ядрами атомов[1]. Явление испускания ядрами нуклонов при этой реакции называется ядерным фотоэффектом. Это явление было открыто Чедвиком и Гольдхабером в 1934 году[2] и в дальнейшем исследовано Боте и Вольфгангом Гентнером[3], а затем и Нильсом Бором[4][5].

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ и ${\displaystyle (\gamma ,p)}$, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом. Обозначения:

• ${\displaystyle \gamma }$ — частица гамма-излучения или гамма-квант (фотон с высокой энергией);
• ${\displaystyle n}$ — нейтрон;
• ${\displaystyle p}$ — протон.

В теории фотоядерных реакций используются статистическая модель составного ядра и модель резонансного прямого фотоэффекта[6].

Фотоядерные реакции идут с образованием составного ядра, однако при возбуждении реакций ${\displaystyle (\gamma ,p)}$ на ядрах с массовым числом${\displaystyle A>100}$ экспериментально был обнаружен слишком большой выход по сравнению с выходом, предсказываемым этим механизмом. Кроме того, угловое распределение протонов с наибольшей энергией оказалось неизотропным. Эти факты указывают на дополнительный механизм прямого взаимодействия, который существенен только в случае ${\displaystyle (\gamma ,p)}$-реакции на тяжёлых и средних ядрах. Реакция же ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ всегда идёт с образованием составного ядра.

Первой наблюдавшейся фотоядерной реакцией было фоторасщепление дейтрона:

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

Она идёт без образования составного ядра, так как ядро дейтерия не имеет возбуждённых состояний, и может быть вызвана гамма-квантами сравнительно невысокой энергии (выше 2,23 МэВ[7]).

Однако нуклидов с малой энергией связи нуклонов всего несколько, а чтобы возбудить фотоядерные реакции с другими ядрами, необходимы фотоны с энергией не менее 8 МэВ. Фотоны с такой энергией возникают в некоторых ядерных реакциях или получаются при торможении в веществе очень быстрых электронов. При радиоактивном распаде, как правило, таких гамма-квантов не образуется, поэтому гамма-кванты β-распада не могут возбудить фотоядерные реакции и вызвать появление новой наведённой радиоактивности в других веществах.

Если замедлителем в ядерном реакторе служит бериллий или тяжёлая вода, то вследствие необычно малой энергии связи нейтрона в ⁹Be и ²H под действием гамма-квантов радиоактивного распада на ядрах этих нуклидов эффективно протекают фотоядерные реакции ${\displaystyle (\gamma ,n)}$. Особенно много гамма-квантов при этом дают радиоактивные продукты деления урана, но гамма-кванты в ядерном реакторе испускают и другие вещества, активированные нейтронами. Таким образом в тяжеловодных и бериллиевых ядерных реакторах присутствует дополнительный источник нейтронов, обусловленный протеканием фотоядерной реакции[1].