§ 23. Ядерные реакции и их основные типы.

Ядерными реакциями называется искусственное превращение атомных ядер при их взаимодействии как друг с другом, так и с ядерными частицами, в результате чего образуются новые ядра и новые частицы. Символически ядерную реакцию можно записать: или (23.1),

где Х и У – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.

Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции , равной разности кинетических энергий частиц, полученных в результате реакции и кинетических энергий частиц, участвующих в реакции (23.2).

Если , реакция происходит с поглощением энергии и называется эндотермической; если , то реакция идет с выделением энергии, реакция называется экзотермической. В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда и массовых чисел. Если применить закон сохранения масс и энергий для ядерной реакции, то можно записать:

(23.3),

где - энергия покоя частиц или ядер.

Из (23.2) и (23.3) следует: (23.4)

Поэтому условие экзотермической реакции ( ) выполняется. если , а эндотермической ( ), если . Таким образом, в отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими.

Важную роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло пред­положение Н. Бора (1936) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

X+а CY+b. (23.5)

Первая стадия – это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 210^-15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным, которое оказывается в возбужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов или -частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате возможна вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями.

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1. по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц; реакции под действием -квантов;

2. по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка 1 эВ), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких МэВ), происходящие с участием -квантов и заряженных частиц (протоны, -частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения;

3. по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ядрах (А<50); реакции на средних ядрах (50<А<100); реакции на тяжелых ядрах (А> 100);

4. по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием ней­тронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата.

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бом­бардировке ядра азота -частицамн, испускаемыми радиоактивным источником: .

Другой пример ядерных реакций – реакция получения нейтронов (предсказана и доказана Д.Чэдвигом в 1932 г.): .

Наиболее распространенными ядерными реакциями являются реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких. Рассмотрим их более подробно.