Модуль 4

Комплексная цель: изучение природы искусственной радиоактивности элементов. Классификация основных типов элементарных частиц и видов их взаимодействий.

Краткое изложение программного материала: в модуле рассматриваются основные типы ядерных реакций: превращения, радиационного захвата, рассеяния и деления. На примере реакций деления и синтеза обсуждаются основные особенности ядерных реакций и продуктов, выделяющихся при их протекании. Охарактеризованы основные классы элементарных частиц и виды их взаимодействий.

Содержание модуля 4

4.1 Искусственные ядерные реакции. Нейтрон

Искусственное превращение ядра азота впервые осуществил Резерфорд. В результате им было обнаружено, что ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода и при этом выделяется протон. Реакция идет по следующей схеме: ¹⁴₇N+⁴₂He→¹⁷₈O+¹₁H

Позднее были обнаружены и другие искусственные ядерные реакции: превращение алюминия в кремний при обстреле его α -частицами, (²⁷₁₃Al+⁴₂He→³⁰₁₄Si+¹₁H), превращение лития в две α -частицы - при обстреле его быстрыми протонами (⁷₈Li+¹₁H →2 ⁴₂He) и др

В результате изучения искусственных ядерных реакций был открыт нейтрон. Было установлено, что при бомбардировке атомов бериллия α-частицами возникает сильное проникающее излучение, способно давать быстрые (с длиной пробега в воздухе до 26 см) протоны, и другие ядра отдачи — ядра лития, бора, углерода и азота. Обнаруженное излучение состоит из частиц, обладающих массой протона, но лишенных заряда – нейтронов. Формула реакции получения нейтронов такова:

⁹₄Ве+⁴₂Не₂→¹²₆С₆+¹₀n , где ¹₀n — символ нейтрона, а числа, написанные справа внизу от символа атома, обозначают число нейтронов в ядре. Обнаружение нейтронов привело к изменению формы записи ядерных реакций: массовое число разделили на (р+n).

В настоящее время нейтроны получают следующими тремя способами:

1) бомбардировкой α -частицами бериллия; для этого в ампулке смешивают препарат радия с порошком бериллия; 2) бомбардировкой различных веществ быстрыми протонами, дейтронами и γ -лучами; 3) в ядерных реакторах, которые являются наиболее мощными источниками нейтронов.

Нейтроны не обладают электрическим зарядом, поэтому практически они не производят ионизации. При прохождении через вещество нейтроны взаимодействуют только с ядрами, но так как размеры ядер очень малы, то нейтроны свободно проходят сквозь довольно большие толщи вещества (несколько см). В результате взаимодействия с ядрами нейтроны чаще всего захватываются ими, но в некоторых случаях, происходит рассеяние нейтронов в результате упругого столкновения. При этом нейтроны теряют часть своей кинетической энергии и количества движения, отдавая ее ядрам.

Изучение свойств нейтрона показало, что его масса превосходит массу протона. Массы частиц выражают иногда в атомных единицах, равной 1/12 массы изотопа углерода ¹²₆С₆; 1 а.е.м. = 1,662•10^-24 г. В этих единицах масса нейтрона m_n= 1,008982, а масса протона m_р = 1,007593 а. е. м.

Было установлено, что нейтрон обладает собственным моментом количества движения (спином) и магнитным моментом. Спин нейтрона S = ½ (h/2π), а магнитный момент μ = - 1,913/1836μ_э, Знак «минус» означает, что у нейтрона магнитный момент и спин имеют противоположные направления.

Установлено также, что нейтрон самопроизвольно превращается в протон; при этом имеет место испускание электрона и антинейтрино. Реакция эта идет по уравнению: n→р+е^-+ ,

Таким образом, нейтрон радиоактивен. Период полураспада его, как показали опыты, составляет 11,7 мин.

В настоящее время широко распространен сокращенный способ записи этих реакций по следующему правилу: вначале записывается бомбардируемое ядро (ядро-мишень), затем в скобках указывается, на первом месте, налетающая частица (частица-снаряд), а за ней — все частицы, вылетевшие в результате реакции; после скобок обозначается окончательно получившееся ядро (ядро-продукт). ¹⁴₇N₇(α,p)¹⁷₈O₉; ²⁷₁₃Al₁₄(α,p)³⁰₁₄Si₁₆

Для частиц приняты следующие символы: d — дейтрон (ядро тяжелого водорода ²₁H₁), n — нейтрон, е^- — электрон, е⁺ — позитрон, р— протон.

В настоящее время ядерная реакция для энергий до 8 МэВ представляется состоящей из двух стадий. Первая стадия — соединение бомбардирующей частицы с ядром-мишенью и образование нового промежуточного ядра в возбужденном энергетическом состоянии; вторая стадия, образование окончательного ядро-продукта, сопровождающемся испусканием каких-либо частиц.

Ядерные реакции – превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами (в том числе γ – квантами) или друг с другом. Бывают экзо- и эндотермические (с выделением энергии) ядерные реакции.

Согласно теории Бора выделяют 2 этапа ядерной реакции.

1^й этап: образование промежуточного ядра, которое существует достаточно длительное время (~10^-14с) по сравнению с ядерным временем (10^-21-10^-23с), характеризующим время пролета частицы через ядро τ = r/υ = 10^-13см/10⁸см/с = 10^-21 с. За это время система забывает способ своего образования и второй этап ядерной реакции может идти по разным каналам, которые определяются вероятностью того или иного распада.

а (снаряд) +А (мишень)→ составное (промежуточное) ядро.

2^й этап: распад промежуточного ядра. Выход реакции: отношение числа актов N ядерной реакции к числу частиц, упавших на 1 см³ мишени – w=10^-3-10^-4, но для нейтронов может достигать единицы.

Различают следующие, наиболее часто встречающиеся ядерные реакции:

1. Реакция превращения. В этом случае налетевшая частица остается в ядре, но промежуточное ядро испускает какую-либо другую частицу, поэтому ядро-продукт отличается от ядра-мишени. Примером может служить реакция Резерфорда ¹⁴₇N₇(α,p)¹⁷₈O₉ превращения азота в кислород или реакция получения нейтрона 94Ве5 (α, n)126С6.

2. Реакция радиационного захвата. Здесь также налетевшая частица застревает в ядре, но возбужденное ядро испускает избыток энергии, излучая γ-фотон. Таковы реакции типа (n,γ), имеющие большое значение в работе ядерных реакторов (часть нейтронов, необходимая для цепной реакции, теряется в процессе захвата и, кроме того, возникает интенсивное γ -излучение, создающее опасность для окружающих лиц).

Примером может служить реакция захвата нейтронов кадмием или фосфором: ¹¹³₄₈Cd₆₅(n,γ)¹¹⁴₄₈Cd₆₆; ⁸¹₁₅P₁₆ (n,γ)³²₁₅P₁₇,

В результате реакции захвата ядро-продукт может оказаться: 1) стабильным (например, реакция с кадмием), 2) радиоактивным (реакция с фосфором) с определенным периодом полураспада. Реакции второго типа приводят к образованию искусственно-радиоактивных изотопов (меченых атомов), широко используемых в науке и технике.

3. Рассеяние. В этом случае промежуточное ядро испускает частицу, тождественную с налетевшей, причем может быть: 1) упругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц не меняется, и 2) неупругое рассеяние, при котором суммарная кинетическая энергия соударяющихся частиц уменьшается, и разность энергий излучается в виде энергии γ-фотона.

Примером упругого рассеяния служит рассеяние нейтронов углеродом (графитом) или тяжелой водой, которое используется в реакторах для замедления нейтронов: ¹²₆С₆(n,n)¹²₆С₆

Примером неупругого рассеяния может служить процесс, происходящий при соударении быстрого нейтрона с ядром урана-238, идущий по реакции:

²³⁸₉₂U₁₄₆(n,n,γ)²³⁸₉₂U₁₄₆

4. Реакция деления. Эта реакция, идущая всегда с выделением энергии. При реакции деления возбуждение промежуточного составного ядра столь велико, что оно делится на два примерно равных осколка с выделением нескольких нейтронов.

Для осуществления ядерной реакции ядро и частица должны оказаться на некотором расстоянии r друг от друга. Величина σ = πr² называется эффективным сечением реакции.

Эффективное сечение измеряется отношением числа n актов взаимодействия частицы на единице длины ее пути в веществе к числу N ядер (атомов), находящихся в единице объема вещества: σ = n/N см².

Допустим, что пучок нейтронов попадает в газообразный азот. Вероятность ω того, что какой-нибудь из падающих нейтронов вызовет реакцию, пропорциональна числу N ядер азота в единице объема и толщине слоя азота Δх: ω= σNΔх.

Коэффициент σ и есть эффективное сечение этой реакции

σ= ω/Δх•(1/N)= n/N, т.к. n= ω/Δх)

Эффективное сечение измеряется в барнах; 1 барн = 10^-24 см². Эффективное сечение зависит от вида реакции и колеблется от 10^-4 до 10⁵ барн.

Иногда наблюдается резкое возрастание эффективного сечения в узком интервале определенных значений энергии нейтронов. Такое явление носит название резонанса, а сечение называется резонансным.