Реакція сколювання — ядерна реакція відщеплення легкого уламка від важкого ядра під час зіткнення з легким ядром (переважно з протонами або альфа-частинками).
Доволі часто в літературі замість терміну "реакція сколювання" використовують термін "реакція розщеплення"[джерело?].
Пояснити процес взаємодії високоенергетичного ядра з частинкою при їх зіткненні можна використовуючи поняття компаунд-ядро[ru].
У ядерній астрофізиці реакції сколювання відіграють важливу роль в утворенні легких елементів: Дейтерію, Літію (Li), Берилію (Be), Бору (В) та для опису розщеплення . Вважається, що реакція відбувається коли космічні промені, а саме: ядра Карбону, Нітрогену та Оксигену зіштовхуються з протонами у міжзоряному середовищі. Або ж протони з енергіями вище 20 МеВ можуть викликати реакції сколювання всіх без винятку важких ядер. При цьому взаємодія налітаючої частинки з ядром призводить до того, що ядро переходить в збуджений стан .
Енергія збудження розподіляється між нуклонами , поки випадковим чином не зосередиться на окремому нуклоні, який в результаті буде мати достатню енергію щоб подолати кулонівський бар'єр і вилетіти за межі ядра[джерело?].
Переріз реакцій розщеплення Редагувати
Щоб пояснити вміст легких елементів таких як Li, Be та В необхідно знати переріз утворення кожного хімічного елемента залежно від енергії налітаючої частинки. Такі дані отримуються експериментально на прискорювачах. Інший спосіб — моделювання процесу розщеплення ядра методом Монте-Карло.
Для цього необхідно розрахувати траєкторію протона в ядрі при випадково обраних початкових умовах. Взаємодія протона з нуклонами описується випадковим чином. Залежно від того, які частинки вибиваються з ядра і яка при цьому енергія збудженого ядра, батьківське ядро буде розколюватися різними способами, кожен з яких має певну ймовірність. У методі Монте-Карло такі обчислення повторюються велику кількість разів (в середньому — 100 000). Після чого виводиться середній спектр продуктів реакції (взаємодії протона з ядром).
Для обчислення вільного пробігу частинки в речовині необхідно знати перерізи непружних зіткнень. Ці величини використовуються для опису реакцій у міжзоряному середовищі.
| Непружний переріз см | Середня довжина вільного пробігу (г/см^2) | |
|---|---|---|
| Елементи групи заліза | 650 | 2,6 |
| C,N,O | 250 | 6,7 |
| Li, Be, B | 170 | 10 |
З кожною довжиною вільного пробігу можна пов'язати ймовірність фрагментації (тобто, середнє число вторинних ядер (s) яке виникає при фрагментації первинних (p).
Рівняння переносу ядер та утворення Li, Be i B у міжзоряному середовищі Редагувати
Щоб пояснити спостережуваний вміст продуктів фрагментації необхідно розв'язати рівняння переносу, яке отримується за припущення, що всі частинки проходять через одну й ту ж товщу речовини від 0 до х. Тобто існує взаємно-однозначна відповідність між довжиною пройденого шляху та кількістю утворених частинок. Також, для спрощення задачі, не враховується дифузія та втрати енергії. Із використанням всіх цих припущень рівняння переносу матиме вигляд:
- потік ядер типу s після проходження через товщу речовини х г/см^2
- описує руйнування ядер сорту s в результаті реакцій розщеплення
- середня довжина вільного пробігу в г/см^2.
- описує утворення ядер s-го сорту при розщепленні важчих ядер сорту p.
Для вивчення еволюції всієї системи необхідно написати таке рівняння для кожного ізотопу з періодичної таблиці хімічних елементів , тому навіть без врахування дифузії та інших ускладнюючих факторів (таких як іонізаційні втрати) задача не є тривіальною. Крім цього необхідно також враховувати і розщеплення кінцевих продуктів.
За вмістом у космічних променях переважають такі елементи як : С, N, O, тому в першу чергу розглядається розщеплення саме цих ядер.
Для скорочення записів вводяться такі позначення : група М (елементи C,N,O) та група L для елементів Li, Be, B.
Вважається, що при х=0 групи L в космічних променях не було. Таким чином можна записати систему рівнянь, які будуть описувати зв'язок між M та L.
З такими початковими умовами :
,
.
Розв'язки рівнянь дають вміст елементів L після проходження через товщу середовища x:
.
Якщо підставити спостережувані значення:
= 0,25
Ймовірність фрагментації = 0.35 (середнє значення суми парціальних перерізів) та середні довжини вільного пробігу = 10 г/см^2 = 6.7 г/см^2 .
Отримаємо, що для спостережуваної кількості хімічних елементів (Li, Be, B) у міжзоряному середовищі космічні промені мають пройти відстань x = 4.3 г/см^2
Детальний розподіл елементів групи L в рамках даної моделі добре узгоджується із спостережуваними даними.
Утворення з у міжзоряному середовищі Редагувати
Рівняння переносу, яке описане в попередньому розділі, дозволяє пояснити утворення з при розщепленні у міжзоряному газі. У цьому випадку важливими є наступні реакції, які описують взаємодію з протоном та ймовірні канали фрагментації ядра:
Якщо при записі рівняння переносу припустити, що космічні промені теж проходять однакову відстань, отримаємо значення x = 4 г/см^2 .
Див. також Редагувати
Джерела Редагувати
- ↑ Реакції сколювання // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 396. — ISBN 966-613-263-X.
- Лонгейр, М.С. (1984). Астрофизика высоких энергий (рос.). Москва.
Література Редагувати
- (рос.) Франк-Каменецкий Д. А. Ядерная астрофизика. М., 1967.