5. ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

5.1. НЕКОТОРЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Наше изложение ядерных реакций связано с некоторыми аспектами физики космических лучей: ядерными взаимодействиями космических лучей с атомами и ионами земной атмосферы, с ядерными эмульсиями и межзвездным газом. Изложение этих вопросов будет существенно проще приведенного выше анализа других типов взаимодействий.

Ядерные взаимодействия происходят лишь тогда, когда космическая частица буквально врезается в ядро. Дело в том, что ядерные силы — короткодействующие, т. е. относятся к сильным взаимодействиям. Поэтому сечение ядерного взаимодействия, т. е. взаимодействия с нуклонами, равно геометрическому сечению ядра. Радиус ядра равен

где А — число нуклонов. Энергия космических лучей обычно превышает Это заметно упрощает картину, поскольку при таких энергиях длина волны де Бройля космической частицы мала по сравнению с расстоянием между нуклонами. Поэтому определим эффективный размер падающего нуклона исходя из принципа неопределенности. Эффективный размер протона с энергией, скажем, равен

Следовательно, можно рассматривать протон как очень маленькую частицу, взаимодействующую с каждым нуклоном ядра по отдельности. Число частиц, с которыми он провзаимодействует, в точности равно числу нуклонов ядра на луче зрения сквозь ядро. Например, протон, врезавшийся в ядро кислорода или азота, в среднем провзаимодействует приблизительно с нуклонами, т. е. с 2,5 нуклона. Вполне разумная модель ядерных взаимодействий следует из предположения, что сталкивающийся с ядром протон многократно рассеивается в нем (рис. 5.1).

Общая картина взаимодействия протона с ядром хорошо описывается следующими эмпирическими правилами.

Протоны космических лучей. 1. Протон бурно взаимодействует с отдельными нуклонами ядра, и основными продуктами взаимодействия являются -мезоны всех зарядов: положительные, отрицательные и нейтральные. Могут рождаться странные частицы и крайне редко антинуклоны.

2. В системе центра инерции протон-нуклонного взаимодействия -мезоны вылетают главным образом вперед и назад, но могут также иметь и поперечную составляющую импульса порядка

Рис. 5.1. Схематическая диаграмма иллюстрирующая многократное рассеяние протона в ядре.

3. У обоих нуклонов, а также -мезонов в лабораторной системе отсчета компонент скорости в направлении движения велик, поэтому после взаимодействия они имеют высокую энергию.

4. Каждая вторичная частица может столкнуться с другой частицей в пределах того же ядра (в том случае, конечно, если первое столкновение произошло достаточно близко к переднему краю ядра). Таким образом, внутри ядра начинается мини-лавина.

5. Только один или два нуклона могут участвовать в ядерных взаимодействиях с протоном космических лучей, и они большей частью покидают ядро, оставляя его в сильно возбужденном состоянии. Нет гарантии, что результирующее ядро будет стабильно. Может произойти ряд событий. Очень часто из ядра выбрасывается несколько осколков. Они называются осколками деления и ниже мы рассмотрим их подробнее. При выбросе осколков (в системе отсчета, связанной с ядром) ядро большого импульса «вперед» не получает, он, по-видимому, весь расходуется на отрыв нуклонов от ядра протоном космических лучей. Поэтому осколки деления вылетают более или менее изотропно в лабораторной системе отсчета. Нейтроны также покидают разбитое ядро или освобождаются из осколков деления. Для легких ядер любое нарушение баланса протонов и нейтронов ведет к фатальному исходу. Эти процессы показаны на рис. 5.2. При

Рис. 5.2. Схематическая диаграмма, показывающая продукты взаимодействия протона космических лучей с ядром.

высокоэнергичных столкновениях пионы концентрируются в довольно узком конусе, по которому можно судить об энергии первичной частицы.

На основе полученных выше сечений взаимодействия протонов космических лучей с ядрами можно показать, что средний пробег протонов космических лучей в земной атмосфере составляет около т. е. много меньше глубины атмосферы. Протон может покинуть ядро вместе с одним или двумя нуклонами и они достаточно широко распределены по скорости. Поток протонов уменьшается значительно медленнее, и для частиц данной энергии число протонов падает в значительной мере как где

Для протонов с энергией выше имеется полезное эмпирическое правило, состоящее в том, что при столкновениях с ядрами воздуха образуется примерно новых заряженных частиц измеряется в гигаэлектронвольтах), причем это не обязательно пионы. Пионы всех зарядов рождаются почти в одинаковом количестве, но в случае малых энергий закон сохранения заряда делает предпочтительным образование

Ядра космических лучей. Самое впечатляющее событие — это лобовое столкновение тяжелого ядра космических лучей с ядром кислорода или азота. После этого несколько пар нуклонов подвергаются столкновениям, в которых рождаются пионы, а от самого ядра-мишени почти ничего не остается. Это событие происходит довольно редко, гораздо чаще происходят скользящие столкновения, когда только несколько нуклонов участвуют

Рис. 5.3. Столкновение космического ядра железа с ядром эмульсии [7].

во взаимодействиях, рождающих лавины пионов. Тем не менее и в этом случае исходное ядро остается в возбужденном состоянии и испускает как осколки деления, так и протоны и нейтроны. Единственное отличие на этот раз состоит в том, что падающее ядро улетает вместе с потоком релятивистских осколков деления, протонов и нейтронов. Это очень важно по нескольким причинам: осколки могут породить отдельные лавины; и при самых высоких энергиях космических лучей некоторые лавины, достигающие Земли, имеют несколько стержней, что может быть обусловлено распадом ядра очень высокой энергии. Продукты распада имеют энергии, характерные для космических лучей. Эти результаты очень важны при исследовании распространения космических лучей в межзвездной среде.

На рис. 5.3 показана довольно впечатляющая картина столкновения космического ядра железа с ядром эмульсии.