Прямые ядерные реакции

Прямые ядерные реакции, ядерные процессы, в которых вносимая в атомное ядро энергия передаётся преимущественно одному или небольшой группе нуклонов. П. я. р. многообразны, они вызываются всевозможными налетающими частицами (от g-квантов до многозарядных ионов) в широком диапазоне энергий (от нескольких Мэв до нескольких Гэв). Для П. я. р. характерны сильная угловая анизотропия и сравнительно слабая зависимость вероятности процесса (эффективного поперечного сечения) от энергии частицы. Ядро, образующееся в результате П. я. р., находится, как правило, либо в слабо возбуждённом, либо в основном состояниях.

П. я. р. открыты в начале 50-х гг. 20 в. Первыми были обнаружены реакции дейтронного срыва (d, р) и подхвата (р, d) на лёгких ядрах. Образующиеся в этих реакциях протоны и дейтроны вылетают в основном вперёд (в направлении пучка налетающих частиц). Известны П. я. р., в которых нуклон или группа нуклонов переходят от одного из сталкивающихся ядер к другому. П. я. р. типа (х, ху) называются квазиупругим рассеянием. В этих реакциях импульсы и энергии налетающей (х) и вылетающих (х, у) частиц связаны почти так же, как при упругом рассеянии частицы х на свободной частице у. Наиболее хорошо изучены реакции квазиупругого рассеяния, вызываемые альфа-частицами, протонами и p-мезонами на лёгких ядрах. Наблюдается также выбивание из ядра слабо связанных частиц - дейтронов, т. е. реакции (р, pd) и т.п.

Особенности П. я. р. могут быть объяснены, если допустить, что вылетевшие из ядра частицы получают энергию и импульс в процессе непосредственного взаимодействия с налетающей частицей (отсюда - эпитет "прямые"), остальная же часть ядра-мишени участвует в реакции лишь как "наблюдатель" (спектатор). В этом смысле П. я. р. являются как бы антиподом ядерных реакций, проходящих через стадию образования составного ядра, когда энергия, вносимая в ядро, статистически распределяется между всеми нуклонами из-за многократных столкновений их друг с другом.

В теории П. я. р. предполагается, что они происходят на периферии ядра, где плотность нуклонов мала, вследствие чего нуклон, получивший достаточную энергию в результате взаимодействия с внешним агентом, имеет значительную вероятность покинуть ядро без столкновений. Периферийный слой ядра имеет протяжённость ~ 1 ферми, тогда как радиус средних и тяжёлых ядер достигает величины 10 ферми. Т. о., относительная вероятность П. я. р. должна быть ~ 10% (у лёгких ядер несколько больше). Эти оценки подтверждены опытами.
Количественная теория П. я. р. была предложена С. Батлером (Австралия) в 50-х гг. впервые применительно к реакциям срыва. Она основывалась на квантовомеханическом (шредингеровском) описании ядра и использовании представлений о потенциальном взаимодействии налетающей частицы с нуклонами. Развитие этой теории привело к формулировке "борновского приближения с искажёнными волнами", в котором, помимо акта взаимодействия, вызывающего реакцию, учитывается дифракция налетающих частиц на ядре-мишени и вылетающих - на остаточном ядре.
В 60-х гг. был сформулирован иной подход к теории П. я. р., основанный на использовании методов квантовой теории поля (фейнмановской диаграммной техники). Этот подход, называют иногда дисперсионной теорией П. я. р., был вызван неприменимостью потенциального приближения к реакциям с участием релятивистских частиц и расширением многообразия П. я. р., в частности обнаружением процессов выбивания плотных частиц, стационарно не существующих в ядре и потому не описываемых волновыми функциями. Дисперсионная теория даёт возможность выразить вероятность П. я. р. через константы, характеризующие ядро (например, эффективное число частиц данного сорта на периферии ядра), и через амплитуды вероятности элементарного акта, т. е. процесса взаимодействия налетающей и внутриядерной частиц. Она позволяет также выяснить область применимости представлений о "прямом" взаимодействии для конкретных реакций и указать эксперименты, необходимые для установления механизма процесса.
П. я. р. используются для изучения спектра ядерных уровней, структуры периферии ядра, в частности - периферийных коррелированных групп нуклонов (кластеров) и получения данных о взаимодействии нестабильных элементарных частиц с нейтронами и нуклонными изобарами. Последний аспект связан с исследованиями П. я. р. при высоких энергиях.
Лит.: Батлер С., Ядерные реакции срыва, пер. с англ., М., 1960; Austern N., Direct reactions, в сборнике: Selected topics in nuclear theory, Vienna, 1963; Шапиро И. С., Теория прямых ядерных реакций, М., 1963; его же, Некоторые вопросы теории ядерных реакций при высоких энергиях, "Успехи физических наук", 1967, т. 92, с. 549.
? И. С. Шапиро.