Реакція сколювання — ядерна реакція відщеплення легкого уламка від важкого ядра під час зіткнення з легким ядром (переважно з протонами або альфа-частинками). . Пояснити процес взаємодії високоенергетичного ядра з частинкою при їх зіткненні можна використовуючи поняття .

У ядерній астрофізиці реакції сколювання відіграють важливу роль в утворенні легких елементів: дейтерію, літію (Li), берилію (Be), бору (В) та для опису розщеплення 4He. Вважається, що реакція відбувається коли космічні промені, а саме: ядра вуглецю, азоту та кисню 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 .

Переріз реакцій розщеплення 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. +Таблиця 1Непружний переріз смСередня довжина вільного пробігу (г/см^2)Елементи групи заліза6502,6C,N,O2506,7Li, Be, B17010 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 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/см²

- описує руйнування ядер сорту s в результаті реакцій розщеплення

- середня довжина вільного пробігу в г/см².

- 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/см² = 6,7 г/см².

Отримаємо, що для спостережуваної кількості хімічних елементів (Li, Be, B) у міжзоряному середовищі космічні промені мають пройти відстань x = 4,3 г/см²

Детальний розподіл елементів групи L в рамках даної моделі добре узгоджується із спостережуваними даними.

Утворення ³He з ⁴He у міжзоряному середовищі Рівняння переносу, яке описане в попередньому розділі, дозволяє пояснити утворення 3He з 4He при розщепленні 4He у міжзоряному газі. У цьому випадку важливими є наступні реакції, які описують взаємодію 4He з протоном та ймовірні канали фрагментації ядра:

^{4}He + p -> ^{3}He + p + n

^{4}He + p -> ^{3}He + p + p ->^{3}He + e^- + p + p

Якщо при записі рівняння переносу припустити, що космічні промені теж проходять однакову відстань, отримаємо значення x = 4 г/см².

Див. також Нуклеосинтез

Джерела

Література Франк-Каменецкий Д. А. Ядерная астрофизика. М., 1967.