= ЯДРА
ФОТОНЕЙТРОННЫЕ РЕАКЦИИ В АСТРОФИЗИКЕ
© 2014 г. В. В. Варламов^*, Б. С. Ишханов1)-2), В. Н. Орлин1), Н. Н. Песков^, К. А. Стопани1)
Поступила в редакцию 13.01.2014 г.; после доработки 19.05.2014 г.
Одной из центральных проблем ядерной астрофизики является понимание природы синтеза химических элементов. Большинство тяжелых элементов, существующих в природе, образуется в звездах в процессах радиационного захвата нейтронов, так называемых в- и г-процессах, соответственно медленных и быстрых в сравнении с конкурирующими процессами в--распада. Вместе с тем известны 35 нейтронно-дефицитных так называемых обойденных р-ядер от 74 Se до 196Hg, которые не могут быть образованы в упомянутых в- и г-процессах. Их формирование возможно в фотоядерных реакциях (7, п), (7,р) или (7, а). В связи с этим данные по фотонейтронным реакциям играют важную роль в предсказании и описании процессов формирования р-ядер. В последнее время существенно возрос интерес к определению сечений фотонейтронных реакций в области энергий вблизи порога, представляющей особый интерес с точки зрения астрофизики. Использование современных источников квазимоноэнергетических фотонов, полученных в процессах обратного комптоновского рассеяния лазерного излучения на релятивистских электронах, с одной стороны, позволяет выявить весьма интересные особенности этих сечений типа проявления пигми Е1- и М 1-резонансов или образования ядер в изомерных состояниях, а с другой — заставляет вернуться к проблеме систематических расхождений данных по сечениям реакций, полученных в экспериментах разного типа. Эти проблемы рассматриваются с использованием данных, полученных в рамках нового экспериментально-теоретического подхода к оценке сечений парциальных фотонейтронных реакций.
DOI: 10.7868/80044002714110099
1. ВВЕДЕНИЕ
Определение механизмов образования химических элементов является одной из фундаментальных проблем современных наук о природе, которая находится на стыке ядерной физики и астрофизики. Важная информация о природе элементов содержится в хорошо известной ^-зависимости их распространенности. Распространенность элементов быстро уменьшается с возрастанием массового числа, а вся ^-зависимость достаточно четко может быть разделена на две области: относительно легких и средних элементов с А < 70 и тяжелых элементов с А ~ 70-200 [1].
В области А < 70 ядра формируются в таких процессах, как горение водорода, при котором образуются ядра до гелия, горение гелия, при котором образуются ядра углерода, кислорода, неона, процессы а-захвата, приводящие к образованию ядер вплоть до кальция, е-процесс, в котором формируются ядра "железного пика". К этой же области
'-'Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.
2)МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Россия.
E-mail: Varlamov@depni.sinp.msu.ru
ядер с А < 70 может быть отнесен так называемый X-процесс, ответственный за образование изотопов лития, бериллия и бора в реакциях расщепления более тяжелых изотопов под действием космических частиц.
В области А ~ 70-200 реализуются процессы радиационного захвата нейтронов — так называемые в- и г-процессы, соответственно медленные и быстрые в сравнении с конкурирующими процессами в--распада. В медленном з-процессе скорость в--распада выше скорости захвата нейтронов. Формирование новых сравнительно устойчивых ядер идет с последовательным добавлением нейтронов с участием лишь стабильных и в--радиоактивных ядер с большими периодами полураспада вдоль долины в--стабильности. В быстром г-процессе многие тяжелые ядра образуются путем быстрого последовательного захвата большого количества нейтронов. Когда скорость захвата становится меньше скорости в--распада, образующееся при этом ядро распадается и вновь начинается последовательный захват нейтронов. Линия, вдоль которой происходит образование ядер в г-процессе, смещена относительно дорожки стабильности (трека з-процесса) в сторону нейтронно-избыточных изотопов.
39^ 38^
з7ЯЪ збКг
35ВГ 348с ззАв
32
Ое
89 ч \
84 • 85 64.9 сут 86 87 88 89
ч \ 50.5 сут
83 86.2 сут 84 32.8 суЧ 85 86 87 X
ч 18.7 сут
76 14.6 ч 77 1.24 ч 78 • 79 34.9 ч 80 81 82 83 84 85 86 X
У 2.3х105 лет V ч 10.76 лет
75 1.6 ч 76 16.0 ч 77 57.0 ч 78 6.46 мин 79 80 \ 81 82 35.34 ч 83 2.40 ч 84 31.8 мин
Ч 17.6 мин
74 • 75 119.64 сут 76 77 78 \ 79 80 81 18 мин 82 X 83 22.4 мин
Ч ч =6.5х104 лет
73 80.3 сут 74 17.77 сут 75 \ 76 77 38.8 ч
ч 26.4 ч
72 73 74 \ 75 76
83 мин
40
42
44
46
48
50
Рис. 1. Диаграмма (ось абсцисс — число нейтронов Ж, ось ординат — число протонов Z), иллюстрирующая соотношение в, г и р-процессов в области 72 < А < 89. Серые квадраты — стабильные изотопы, белые — нестабильные (указаны массовые числа А и времена жизни). Стрелки показывают типичное движение для в-процесса, кресты отмечают изотопы (¡4Se, 8617Rb), образующиеся в г-процессе, кружки — изотопы ( 74 Se, 76 Ю-, ¡1 Sr), образование которых возможно лишь в р-процессе.
В области тяжелых элементов достаточно отчетливо проявляются максимумы вблизи массовых чисел А - 80-98, 130-138 и 195-208, коррелирующие с магическими числами нейтронов N = 50, 82 и 126 и проявляющиеся в в-процессе. Дублирующие их максимумы, располагающиеся при несколько меньших массовых числах (78-84, 126— 132 и 189-197 соответственно), обусловлены г-процессом [2].
В этой же области кроме в- и г-процессов оказываются возможными и так называемые р-процессы, в которых образуется большое количество тяжелых элементов с нейтронно-дефицитными ядрами долины в-стабильности, которые не могут быть образованы в в- и г-процессах. Для образования известных в настоящее время 35 таких ядер (табл. 1 [3-5]) от Se (2 = = 34) до ^ (2 = 80), называемых обойденными, требуется привлечение механизмов, отличных от радиационного захвата нейтронов и в"-распада. Типичная диаграмма в, г и р-процессов в области 72 ^ А ^ 89 приведена на рис. 1.
Хорошо видно, что обойденные ядра не могут быть получены на траекториях в- и г-процессов, для которых характерным является движение "слева-направо" с добавлением нейтронов, для их формирования требуется движение в обратном направлении "справа-налево" с выбиванием нейтронов. Такое направление движения по диаграмме элементов может быть объяснено [2] различными
механизмами: реакциями перезарядки и захвата протонов (р, п) и (р, 7), слабым взаимодействием захвата позитронов, скалыванием под действием ускоренных в оболочках сверхновых звезд протонов и а-частиц, реакциями с участием интенсивных потоков нейтрино от взрывов Суперновых звезд, но прежде всего - фотоядерными реакциями (7, п) и (7, 2п).
Источниками фотонов с энергиями, достаточными для осуществления фотоядерных реакций, в звездах и космическом пространстве могут являться самые разные процессы, такие, как аннигиляция частиц и античастиц, образовавшихся при Большом взрыве, тормозное излучение электронов и позитронов, обратное комптоновское рассеяние фотонов на высокоэнергетичных электронах, распад нейтральных п0-мезонов на два 7-кванта, 7-переходы между возбужденными состояниями ядер, ускорение электронов в негомогенной межзвездной плазме, 7-излучение от Суперновых звезд и активных ядер Галактик. Энергия фотонов из таких процессов распределена в очень широкой области от 10"1 до 107 кэВ и, начиная с нескольких МэВ, достаточна для осуществления фоторасщепления атомных ядер.
Несмотря на то что распространенности элементов, образующихся в р-процессах, на 2-3 порядка меньше по величине распространенности элементов, образующихся в в- и г-процессах, роль
Е, МэВ
Рис. 2. Сравнение данных по сечению реакции 16 0(7, п), полученных в экспериментах с тормозным 7-излучением (точки с погрешностями, НИИЯФ МГУ (Россия) [12]) и с квазимоноэнергетическими аннигиляционными фотонами (□ — Сакле (Франция) [13]; * - Ливермор (США) [14]).
р-процессов и, прежде всего, фотонейтронных реакций очень велика, поскольку без них невозможно объяснить происхождение значительного числа элементов.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ФОТОНЕЙТРОННЫХ РЕАКЦИЙ
С целью получения системных данных о фотоядерных реакциях, в которых конечные ядра образуются не только в основных, но и в изомерных состояниях, к настоящему времени выполнено большое количество лабораторных экспериментов, в основном посвященных определению сечений процессов с образованием различного количества нейтронов.
Экспериментальное изучение фотоядерных реакций осложнено целым рядом их особенностей, главной из которых является отсутствие интенсивных пучков моноэнергетических 7-квантов. Такие 7-кванты могут быть получены при использовании радиоактивных ядер или реакций радиационного захвата нейтронов в реакторе, однако в обоих случаях доступен лишь ограниченный дискретный набор 7-линий невысокой интенсивности. Метод получения моноэнергетических меченых фотонов тормозного излучения электронов вследствие большой сложности эксперимента (регистрация на совпадение идентифицируемых фотонов и рассеянных электронов) и низкой интенсивности был использован для определения только нескольких сечений реакций.
Вследствие этого экспериментаторы вынуждены применять различные методы для получения
достаточно интенсивных источников квазимоно-энергетических фотонов, которые в той или иной степени могут быть интерпретированы как близкие к моноэнергетическим. Среди них наибольшее распространение получили два: использование тормозного 7-излучения в сочетании со специальными методами обработки данных [6] и использование излучения аннигилирующих на лету релятивистских позитронов в сочетании с разностной методикой устранения их тормозного излучения [7]. В последнее время все большее распространение получают пучки квазимоноэнергетических фотонов, образующиеся при обратном комптоновском рассеянии фотонов мощного лазера на пучке высо-коэнергетичных электронов [8].
С помощью двух первых методов было получено большое количество экспериментальных данных о сечениях как п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.