Murakkab yadro hosil bo‘lish mexanizmi nazariyasi Nils Bor tomonidan 1936-yilda yadro tuzilishining tomchi modeli nazariyasi bilan birgalikda ishlab chiqilgan bo‘lib, u yadro reaksiyalarining katta qismi haqidagi zamonaviy tasavvurlarga asos bo‘ladi.

Ushbu nazariyaga ko‘ra, yadro reaksiyasi ikki bosqichda sodir bo‘ladi. Avval boshlang‘ich zarrachalar oraliq (murakkab) yadroni yadro vaqtiichida, ya’ni zarracha yadrodan o‘tishi uchun kerak bo‘lgan, taxminan 10⁻²³ — 10⁻²¹svaqt davomida hosil qiladi. Bunda murakkab yadro doimo qo‘zg‘algan holatda bo‘ladi, chunki zarracha yadroga qo‘shimcha energiya olib kiradi. Bu energiya murakkab yadrodagi nuklonning bog‘lanish energiyasi va uning kinetik energiyasining bir qismidan iborat. Bu qism massa soni ${\displaystyle A}$ bo‘lgan nishon yadro va zarrachaning massa markazi sistemasidagi kinetik energiyalari yig‘indisiga teng.

Qo‘zg‘alish energiyasi ${\displaystyle E^{\ast }}$ erkin nuklonni yutib olish natijasida hosil bo‘lgan murakkab yadroda nuklonning ${\displaystyle E_c}$ bog‘lanish energiyasi va uning kinetik energiyasining bir qismi yig‘indisiga teng: ${\displaystyle E^{\text{'}}}$:

${\displaystyle E^{\ast }=E_c+E^{\prime }.}$

Ko‘pincha yadro va nuklon massalari o‘rtasidagi katta farq tufayli ${\displaystyle E^{\prime }}$ taxminan ${\displaystyle E}$ yadroni bombardimon qilayotgan nuklonning kinetik energiyasiga teng bo‘ladi.

Bog‘lanish energiyasi o‘rtacha 8 MeV ni tashkil etadi va hosil bo‘layotgan murakkab yadroning xususiyatlariga qarab o‘zgaradi. Biroq ma’lum nishon yadro va nuklon uchun bu qiymat o‘zgarmasdir. Bombardimon qiluvchi zarrachaning kinetik energiyasi esa har qanday qiymatga ega bo‘lishi mumkin. Masalan, neytronlar bilan yadro reaksiyalarini yuzaga keltirishda ularning potensialida Kulon to‘sig‘ibo‘lmagani sababli ${\displaystyle E}$ ning qiymati nolga yaqin bo‘lishi mumkin. Demak, bog‘lanish energiyasi murakkab yadroning eng kichik qo‘zg‘alish energiyasi hisoblanadi.

Qo‘zg‘almagan holatga o‘tish turli yo‘llar bilan amalga oshishi mumkin. Bu yo‘llar reaksiya kanallarideb ataladi. Reaksiya boshlanishidan oldin uchib kelayotgan zarrachalar va yadrolarning turlari hamda kvant holati reaksiyaning kirish kanalini belgilaydi. Reaksiya tugagach, hosil bo‘lgan reaksiya mahsulotlari va ularning kvant holatlari reaksiyaning chiqish kanalini belgilaydi. Reaksiya kirish va chiqish kanallari bilan to‘liq tavsiflanadi.

Reaksiya kanallari murakkab yadroning qanday hosil bo‘lganiga bog‘liq emas. Buni murakkab yadroning nisbatan uzoq yashashi bilan izohlash mumkin: yadro go‘yo qanday hosil bo‘lganini «unutadi». Shu sababli murakkab yadroning hosil bo‘lishi va parchalanishini mustaqil hodisalar deb qarash mumkin. Masalan, ${\displaystyle {}_{13}^{27}\text{Al}}$ quyidagi reaksiyalardan birida qo‘zg‘algan murakkab yadro sifatida hosil bo‘lishi mumkin:

${\displaystyle {}_{11}^{23}\text{Na}+{}_2^4\text{He}\to {}_{13}^{27}\text{Al*},}$

${\displaystyle {}_{12}^{26}\text{Mg}+{}_1^1\text{H}\to {}_{13}^{27}\text{Al*},}$

${\displaystyle {}_{13}^{26}\text{Al}+{}_0^1\text{n}\to {}_{13}^{27}\text{Al*},}$

${\displaystyle {}_{13}^{27}\text{Al}+\gamma \to {}_{13}^{27}\text{Al*}.}$

Keyinchalik, qo‘zg‘alish energiyasi bir xil bo‘lganda, ushbu murakkab yadro sanab o‘tilgan reaksiyalarning istalganiga teskari yo‘l bilan parchalanishi mumkin. Buning ehtimoli yadroning qanday hosil bo‘lganiga bog‘liq emas. Ehtimollik esa murakkab yadroning hosil bo‘lishida energiya va nishon yadro turiga bog‘liq.

Yadro reaksiyalari bevosita o‘zaro ta’sirlashish mexanizmi orqali ham sodir bo‘lishi mumkin. Bu mexanizm, asosan, bombardimon qiluvchi zarrachalarning energiyasi juda katta bo‘lganda, yadro nuklonlarini erkin deb hisoblash mumkin bo‘lgan sharoitda namoyon bo‘ladi. To‘g‘ridan-to‘g‘ri reaksiyalar murakkab yadro mexanizmidan, avvalo, hosil bo‘lgan zarrachalarning impuls vektorlari bombardimon qiluvchi zarrachalar impulsiga nisbatan qanday taqsimlanishi bilan farqlanadi. Sferik simmetriya bilan tavsiflanuvchi murakkab yadro mexanizmidan farqli ravishda, bevosita o‘zaro ta’sirlashishda reaksiya mahsulotlari, asosan, uchib kelayotgan zarrachalar harakati yo‘nalishi bo‘ylab oldinga uchadi. Bu hollarda mahsulot zarrachalarning energiya bo‘yicha taqsimlanishi ham turlicha. Bevosita o‘zaro ta’sirlashishda yuqori energiyali zarrachalar ko‘proq uchraydi. Murakkab zarrachalar (ya’ni boshqa yadrolar) yadrolar bilan to‘qnashganda nuklonlarning bir yadrodan boshqasiga o‘tishi yoki yadrolar o‘rtasida almashinuvi yuz berishi mumkin. Bunday reaksiyalar murakkab yadro hosil bo‘lmasdan sodir bo‘ladi va bevosita o‘zaro ta’sirlashishning barcha xususiyatlariga ega.

Reaksiyaning sodir bo‘lish ehtimoli reaksiyaning yadro kesimi deb ataladigan kattalik bilan belgilanadi. Laboratoriya sanoq sistemasida (nishon yadro tinch turgan holatda) vaqt birligidagi o‘zaro ta’sirlashish ehtimoli kesimning (yuza birliklarida ifodalangan) tushayotgan zarrachalar oqimiga (vaqt birligida birlik yuzadan o‘tadigan zarrachalar soniga) ko‘paytmasiga teng. Agar bitta kirish kanali uchun bir nechta chiqish kanali mavjud bo‘lsa, ularning ehtimolliklari nisbati tegishli kesimlar nisbatiga teng. Yadro fizikasida reaksiya kesimlari odatda maxsus birliklarda — barnlarda, ya’ni 10⁻²⁴ sm² ga teng birliklarda ifodalanadi.

Reaksiya sodir bo‘lgan holatlar sonining nishonni bombardimon qilgan zarrachalar soniga ${\displaystyle \nu /\mathrm{\Phi }}$nisbati yadro reaksiyasining unumideb ataladi. Bu kattalik miqdoriy tajribalarda aniqlanadi. Unum reaksiya kesimi bilan bevosita bog‘liq bo‘lgani uchun unumni o‘lchash, mohiyatan, kesimni o‘lchash demakdir.

Agar ${\displaystyle E_1,E_2,E_3,E_4}$ — reaksiyadan oldingi va keyingi ikki zarrachaning to‘liq energiyalari bo‘lsa, energiyaning saqlanish qonuniga ko‘ra:

${\displaystyle E_1+E_2=E_3+E_4.}$

Agar ikki donadan ko‘proq zarracha hosil bo‘lsa, bu ifodaning o‘ng tomonidagi qo‘shiluvchilar soni ham mos ravishda ko‘proq bo‘lishi kerak. Zarrachaning to‘liq energiyasi E uning massasi (energiya ekvivalentida) Mc² va kinetik energiyasi Kyig‘indisiga teng, shuning uchun:

${\displaystyle M_1{c}^2+M_2{c}^2+K_1+K_2=M_3{c}^2+M_4{c}^2+K_3+K_4.}$

Reaksiyaning «chiqish» va «kirish» qismidagi zarrachalar umumiy kinetik energiyalarining farqi Q = (K₃ + K₄) − (K₁ + K₂) esa reaksiya energiyasi (yoki reaksiyaning energetik unumi) deb ataladi. U quyidagi shartni qanoatlantiradi:

${\displaystyle M_1+M_2=M_3+M_4+Q/c^2.}$

1/c² ko‘paytuvchi odatda tushirib qoldiriladi, chunki energetik balans hisoblanganda zarrachalar massasi energiya birliklarida (yoki ba’zan energiya massa birliklarida) ifodalanadi.

Agar Q > 0 bo‘lsa, reaksiya erkin energiya ajralishi bilan kechadi va ekzoenergetikdeb ataladi; agar Q < 0 bo‘lsa, reaksiya erkin energiyaning yutilishi bilan kechadi va endoenergetik deb ataladi.

Q > 0 bo‘lishi uchun reaksiya mahsulotlari massalari yig‘indisi boshlang‘ich zarrachalar massalari yig‘indisidan kichik bo‘lishi kerak. Demak, erkin energiya faqat reaksiyaga kirishayotgan zarrachalar massasi kamayishi hisobiga ajralishi mumkin. Aksincha, ikkilamchi zarrachalar massalari yig‘indisi boshlang‘ich zarrachalar massasidan katta bo‘lsa, reaksiya faqat ma’lum miqdordagi kinetik energiya yangi zarrachalarning tinchlik energiyasini, ya’ni massasini oshirishga sarflangandagina sodir bo‘ladi. Endoenergetik reaksiya sodir bo‘lishi mumkin bo‘lgan uchib kelayotgan zarrachaning eng kichik kinetik energiyasi reaksiyaning bo‘sag‘a energiyasideb ataladi. Endoenergetik reaksiyalar bo‘sag‘ali reaksiyalardeb ham yuritiladi, chunki bo‘sag‘adan past energiyali zarrachalarda ular sodir bo‘lmaydi.

Reaksiyadan oldingi zarrachalarning umumiy impulsi reaksiya mahsulotlarining umumiy impulsiga teng. Agar ${\displaystyle {\overrightarrow{p}}_1}$, ${\displaystyle {\overrightarrow{p}}_2}$, ${\displaystyle {\overrightarrow{p}}_3}$, ${\displaystyle {\overrightarrow{p}}_4}$ — reaksiyadan oldingi va keyingi ikki zarrachaning impuls vektorlari bo‘lsa, unda:

${\displaystyle {\overrightarrow{p}}_1+{\overrightarrow{p}}_2={\overrightarrow{p}}_3+{\overrightarrow{p}}_4.}$

Har bir vektorni tajribada mustaqil ravishda, masalan, magnit spektrometr yordamida o‘lchash mumkin. Tajriba ma’lumotlari impulsning saqlanish qonuni ham yadro reaksiyalarida, ham mikrozarrachalar sochilishi jarayonlarida amal qilishini ko‘rsatadi.

Harakat miqdori momenti ham yadro reaksiyalarida saqlanadi. Mikrozarrachalar to‘qnashuvi natijasida faqat shunday murakkab yadrolarhosil bo‘ladiki, ularning impuls momenti zarrachalarning xususiy mexanik momentlari (spinlari) va nisbiy harakat momenti (orbital moment) yig‘indisidan kelib chiqadigan mumkin bo‘lgan qiymatlardan biriga teng bo‘ladi. Murakkab yadroning parchalanish kanallari ham umumiy impuls momenti (spin va orbital momentlar yig‘indisi) saqlanadigan bo‘lishi shart.

• Yadro reaksiyalarida elektr zaryadi saqlanadi — algebraik yig‘indi elementar zaryadlar bo‘yicha reaksiyadan oldin ham, keyin ham bir xil bo‘ladi.
• Yadro reaksiyalarida nuklonlarsoni saqlanadi. Eng umumiy holatda bu barion soniningsaqlanishi sifatida talqin qilinadi. Agar to‘qnashayotgan nuklonlarning kinetik energiyalari juda yuqori bo‘lsa, nuklon juftlari hosil bo‘ladigan reaksiyalar yuz berishi mumkin. Nuklon va antinuklonlarga qarama-qarshi ishoralar berilgani uchun har qanday jarayonda barion sonlarining algebraik yig‘indisi o‘zgarmaydi.
• Yadro reaksiyalarida leptonlar soni (aniqrog‘i, leptonlar va antileptonlar soni orasidagi farq) saqlanadi (qarang: Lepton soni).
• Yadro reaksiyalari yadro yoki elektromagnit kuchlari ta’sirida kechganda, zarrachalarning reaksiyadan oldingi va keyingi holatini tasvirlovchi to‘lqin funksiyasiningjuftligi saqlanadi. Biroq zaif o‘zaro ta’sirlarda to‘lqin funksiyasining juftligi saqlanmaydi.
• Agar yadro reaksiyasi kuchli o‘zaro ta’sirlarnatijasida sodir bo‘lsa, unda izotopik spinsaqlanadi. Zaif va elektromagnit o‘zaro ta’sirlarda esa izospin saqlanmaydi.

Yadroning bo‘linish reaksiyasi — bu atom yadrosining massalari bir-biriga yaqin bo‘lgan ikki (kamdan-kam hollarda uch) yadroga ajralish jarayonidir. Bunday yadrolar bo‘linish parchalari deb ataladi. Bo‘linishda boshqa reaksiya mahsulotlari ham hosil bo‘lishi mumkin: yengil yadrolar (asosan, alfa-zarrachalar), neytronlar va gamma-kvantlar). Bo‘linish spontan (o‘z-o‘zidan) yoki majburiy (boshqa zarrachalar, avvalo, neytronlar bilan o‘zaro ta’sirlashish natijasida) bo‘lishi mumkin. Biroq spontan jarayonlar odatda yadro reaksiyalariga kiritilmaydi. Shuning uchun faqat majburiy bo‘linish (neytron yutilganda, fotobo‘linish va hokazo) yadro reaksiyasi hisoblanadi. Og‘ir yadrolarning bo‘linishi ekzoenergetik jarayon bo‘lib, bunda reaksiya mahsulotlarining kinetik energiyasi hamda nurlanish ko‘rinishida katta miqdorda energiya ajraladi.

Yadrolarning bo‘linishi yadro reaktorlari va yadro qurollarida energiya manbai bo‘lib xizmat qiladi.

Yadro sintezi reaksiyasi — ikki atom yadrosining qo‘shilib, yangi, og‘irroq yadro hosil qilish jarayonidir.

Yadro sintezi vaqtida yangi yadro bilan birga, odatda, turli elementar zarrachalar va (yoki) elektromagnit nurlanish kvantlari ham hosil bo‘ladi.

Tashqi energiyasiz yadrolarning qo‘shilishi mumkin emas, chunki musbat zaryadlangan yadrolar bir-birini elektrostatik kuch bilan itaradi. Bu hodisa «Kulon to‘sig‘i» deb ataladi. Yadro sintezi uchun yadrolarni taxminan 10⁻¹⁵ m masofagacha yaqinlashtirish kerak. Bunda kuchli o‘zaro ta’sir elektrostatik itarilish kuchlaridan ustun bo‘ladi. Bu yaqinlashayotgan yadrolarning kinetik energiyasi Kulon to‘sig‘idan oshganda mumkin bo‘ladi.

Bunday sharoitlar ikki holatda yuzaga kelishi mumkin:

• Katta kinetik energiyaga ega atom yadrolari (ionlar, protonlar yoki α-zarrachalar) yo‘lida boshqa atom yadrolari uchrasa. Tabiatda bu, masalan, ionlashgan gaz zarrachalari, jumladan, Yer ionosferasidagizarrachalar bilan kosmik nurlarzarrachalari to‘qnashganda sodir bo‘lishi mumkin. Sun’iy sharoitda bunday reaksiyalar yuqori energiyali α-zarrachalarning tabiiy manbalari (birinchi marta 1917-yilda kuzatilgan, 1919-yilda e’lon qilingan, E. Rezerford), shuningdek, zaryadlangan zarrachalar tezlatkichlari (birinchi marta 1931, R. Van de Graaf) hamda fyuzor yoki «Polivell» reaktoriga o‘xshash qurilmalar yordamida amalga oshiriladi. Bunday qurilmalarda zaryadlangan zarrachalarga kinetik energiya elektr maydoniShu usulda ilk sun’iy yadro sintezi reaksiyalari hamda ko‘plab sun’iy tarzda sintez qilingan kimyoviy elementlar olingan.

• Modda yulduzda yoki termoyadro reaktoridao‘ta yuqori haroratgacha qizdiriladi. Bu holatni kinetik nazariyabilan tushuntirish mumkin: moddaning harakatlanuvchi mikrozarrachalari (atomlar, molekulalar yoki ionlar) kinetik energiyasini harorat orqali ifodalash mumkin. Demak, moddani qizdirish orqali yadro sintezi reaksiyasiga erishish mumkin. Bunday holatda termoyadro sintezi yoki termoyadro reaksiyasi haqida so‘z yuritiladi (quyiga qarang).

Termoyadro reaksiyasi — ikki atom yadrosining issiqlik harakati natijasidagi kinetik energiyasi hisobiga qo‘shilib, yangi, og‘irroq yadro hosil qilishidir. Bu energiya ularning issiqlik harakatidan kelib chiqadi.

Yadro sintezi reaksiyasi sodir bo‘lishi uchun boshlang‘ich yadrolar nisbatan katta kinetik energiyaga ega bo‘lishi kerak, chunki bir xil musbat zaryadga ega yadrolar bir-birini elektrostatik kuch bilan itaradi.

Ushbu Kinetik nazariyagako‘ra, moddaning harakatlanuvchi mikrozarrachalari (atomlar, molekulalar yoki ionlar) kinetik energiyasini harorat orqali ifodalash mumkin. Demak, moddani qizdirish orqali yadro sintezi reaksiyasini yuzaga keltirish mumkin.

Yulduzlarda tabiiy nukleosintez yadro reaksiyalari ham shu tarzda sodir bo‘ladi.

Yengil elementlar yadrolarining temirgacha bo‘lgan sintez reaksiyalari ekzoenergetik kechadi. Shuning uchun ulardan energetikada, agar boshqariladigan termoyadro sintezi muammosi hal etilsa, foydalanish mumkin.

Eng avvalo, Yerda keng tarqalgan vodorodning ikki izotopi (deyteriy va tritiy) o‘rtasidagi reaksiyani ta’kidlash kerak. Natijada geliy hosil bo‘ladi va neytron ajralib chiqadi. Reaksiyani quyidagicha yozish mumkin:

${\displaystyle {}_1^2\text{H}(D)+{}_1^3\text{H}(T)\to {}_2^4\text{He}+{}_0^1\text{n}}$ + energiya (17,6 MeV).

Ajralgan energiya (geliy-4 yadrosidagi yadro bog‘lanishlari juda mustahkam bo‘lgani sababli yuzaga keladi) kinetik energiyaga aylanadi. Uning katta qismini — 14,1 MeV ni — yengilroq zarracha bo‘lgan neytron olib ketadi. Hosil bo‘lgan yadro mustahkam bog‘langanligi uchun reaksiya juda kuchli ekzoenergetik xususiyatga ega. Bu reaksiya eng past Kulon to‘sig‘i va katta unum bilan tavsiflanadi, shu bois boshqariladigan termoyadro sintezi uchun alohida ahamiyatga ega.

Termoyadro reaksiyasidan termoyadro qurollarida ham foydalaniladi.

Gamma-kvant yutilganda yadro nuklon tarkibi o‘zgarmagan holda ortiqcha energiya oladi. Ortiqcha energiyaga ega yadro esa murakkab yadrohisoblanadi. Boshqa yadro reaksiyalaridagi kabi, yadroning gamma-kvantni yutishi faqat zarur energiya va spin nisbatlari bajarilganda mumkin bo‘ladi. Agar yadroga berilgan energiya nuklonning yadrodagi bog‘lanish energiyasidan oshib ketsa, hosil bo‘lgan murakkab yadro ko‘pincha nuklonlar, asosan, neytronlarchiqarib parchalanadi. Bu parchalanish ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ va ${\displaystyle (\gamma ,p)}$yadro reaksiyalariga olib keladi; ular fotoyadroreaksiyalari deb ataladi, bunday reaksiyalarda nuklonlarning chiqarilishi esa yadro fotoeffekti deyiladi.