6.5.1. Реакции взаимодействия ядра и легкой частицы

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X , в результате которого образуются легкие частицы, b, c, d и ядро Y, а также выделяется (или поглощается) энергия Q:

^или .

В качестве частиц а, b, c и d могут фигурировать нейтрон (n), протон (p), дейтон  ядро дейтерия (d), -частица и -квант.

Приведем для примера символическую запись первой искусственной ядерной реакции по облучению азота -частицами, которая наблюдалась Резерфордом в 1919 г.

Многие ядерные реакции проходят через стадию образования так называемого составного (промежуточного) ядра. Частица, проникающая внутрь ядра, как правило, сильно взаимодействует с его нуклонами и захватывается ядром. Образуется система связанных нуклонов  составное ядро С. Составное ядро возникает в возбужденном состоянии, и время жизни его составляет 10^-1410^-15 с. По сравнению с характерным ядерным временем (временем пролета частицы через ядро 10^-22 с) эта величина очень большая. Возбуждение составного ядра “снимается” путем испускания какой-либо частицы, т.е. ядерная реакция может выглядеть следующим образом:

Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. Отсутствие у нейтронов электрического заряда способствует более легкому, чем у заряженных частиц, проникновение нейтрона в атомное ядро. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами различен для быстрых и медленных нейтронов. Нейтроны называются быстрыми, если их скорость V так велика, что соответствующая длина волны де Бройля нейтронов =h/mV много меньше радиуса R ядра, т.е. h/mV<<R или V>>h/mR. Энергии быстрых нейтронов заключены в пределах от 0,1 МэВ до 50 МэВ. Если R, то нейтроны называются медленными. Энергии медленных нейтронов не превышают 100 кэВ. Медленные нейтроны с энергиями от 0,0025 эВ до 0,5 эВ называются тепловыми нейтронами. Наиболее эффективно взаимодействуют с ядрами медленные нейтроны, т.к. для них увеличивается время пролета нейтрона вблизи ядра и, следовательно, вероятность взаимодействия.

Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит, главным образом, либо в упругом рассеянии нейтронов на ядрах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах, называемых замедлителями (графит, тяжелая вода D₂O, HDO, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит в энергию теплового движения атомов вещества-замедлителя. В результате нейтроны становятся тепловыми.

Если энергия тепловых нейтронов совпадает с энергией составного (промежуточного) ядра, то может произойти захват нейтрона материнским ядром. Захват нейтрона приводит к искусственной радиоактивности или делению ядер. Именно таким способом в период с 1934 по 1936 гг. в Риме Энрико Ферми получил ряд ранее неизвестных изотопов. Кроме того, при бомбардировке нейтронами самого тяжелого из тогда известных элементов  урана, Ферми получил два новых элемента: нептуний и плутоний^{, при этом наблюдалась следующая цепочка ядерных превращений:}

^(6.13)

Плутоний благодаря эффективному делению под действием тепловых нейтронов играет важнейшую роль в получении ядерной энергии. Плутонийявляется-радиоактивным с периодом полураспада 24 000 лет и превращается в устойчивый изотоп урана .