8.2.4. Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов. Взаимодействие реагирующих частиц происходит при сближении их до расстояний порядка 10 ^-13 см (радиус действия ядерных сил) благодаря действию ядерных сил. В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях. Схему ядерной реакции можно представить в виде:

(8.48.28)

где – исходное ядро; – частица, с которой произошло взаимодействие; и – ядро и частица, образовавшиеся в результате взаимодействия.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

(8.48.29)

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (то есть числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена Кокрофтом с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

(8.48.50)

Ядерные реакции классифицируют по следующим признакам:

1. по роду участвующих в них частиц (нейтронов, протонов, a частиц, g-квантов, дейтронов – ядер тяжелого изотопа водорода- дейтерия);

2. по энергии частиц, вызывающих эти реакции;

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

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

Многие ядреные реакции протекают в два этапа по следующей схеме:

. (8.48.51)

Первый этап заключается в захвате налетающей частицы , приблизившейся к ядру-мишени на расстояние действия ядерных сил, и образовании промежуточного ядра , называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоянии. Время жизни составного ядра достикае 10^-14 – 10^-15 с. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов или - частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате второго этапа ядерной реакции происходит распад составного ядра на ядро и частицу

Если испущенная частица тождестванна захваченной частице такой процесс называется рассеянием (упругим, если энергия частицы равна энергии частицы ; неупругим, если ).

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами (с энергией порядка нескольких десятков МэВ) протекают без образования промежуточного ядра, их называют прямыми ядерными реакциями. Для них характерно малое время протекания – 10^-21 – 10^-23 с.

Наибольшее значение для практического использования имеют реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они не испытывают кулоновского отталкивания и беспрепятственно могут проникать в атомные ядра, обладая весьма малой энергией, и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями. Реакции с нейтронами при малых энергиях идут с образованием составного ядра. Для иедленных нейтронов при взаимодействии с ядрами характерны радиационный захват нейтронов ядрами и упругое рассеяние. Для быстрых нейтронов характерно неупругое рассеяние с испусканием - квантов. Нейтроны также вызывают реакции деления ядер.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

(8.48.52)

где и – массы исходных продуктов, и – массы конечных продуктов, – дефект массы. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0; экзотермические реакции) или с поглощением энергии (Q < 0; эндотермические реакции). Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина должна быть положительной.