11. Понятие об ядерных реакциях.
Ядерной реакцией называется процесс, начинающийся столкновением двух микрочастиц и идущий с участием сильных взаимодействий. В узком смысле это процесс, происходящий в результате столкновения простой или сложной микрочастицы с ядром. В этих условиях ядро называют ядром-мишенью. Запись ядерной реакции аналогична записи химической реакции. Общий вид ядерной реакции: а1+ а2>> b1+b2…bi ’ где а1,а2, — частицы, вступающие в реакцию; b1,b2— частицы, возникающие в результате ядерной реакции.
Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке азота воздуха альфа- частицами:
Часто пользуются сокращенной записью:
где в скобках через запятую даются бомбардирующие и образующиеся частицы, а за скобками — ядро-мишень (слева) и ядро-продукт (справа).
В физике ядерных реакций важное значение имеют законы сохранения: электрического заряда, энергии и импульса, момента количества движения и др.
Количественной характеристикой элементарного акта столкновения является эффективное сечение ядерной реакции, которое не зависит ни от потока налетающих частиц, ни от числа частиц мишени. Физический смысл эффективного сечения — площадь поперечного сечения эффективного объема вокруг мишени, при попадании в который бомбардирующая частица должна вызвать ядерную реакцию. Единица эффективного сечения о — барн (б): 1б = 1 *10-24 см2 на ядро. Величина эффективного сечения зависит от типа бомбардирующей частицы, ее энергии, свойств мишени. В качестве примера в табл. 7.1 приведены эффективные сечения для реакций (п, у) на тепловых (Еп = 0,025 эВ) нейтронах. Так, если для кислорода вероятность возникновения реакции описывается величиной 0,2*10 -3 б, то для 113Сd она равна 19 500 б.
Ядерные реакции классифицируют в зависимости от типа бомбардирующих частиц на реакции под действием нейтронов, заряженных частиц и гамма-фотонов (фотоядерные реакции).
В зависимости от энергии воздействующих на ядро частиц различают ядерные реакции при малых, средних и высоких энергиях. Реакции при малых энергиях (примерно до нескольких электрон-вольт) происходят в основном при участии нейтронов. Реакции под действием заряженных частиц в этом случае возникнуть не могут, так как в отличие от нейтронов подобные частицы должны преодолеть сильное электрическое поле атома 158
(кулоновский барьер). Реакции при средних энергиях (до нескольких МэВ) и высоких энергиях могут быть вызваны нейтронами, заряженными частицами и фотонами.
Характер продуктов реакции определяется полным количеством энергии, приобретенной ядром, и природой ядра-мишени. Если энергия, полученная ядром при бомбардировке, недостаточна для испускания нуклона, то часть этой энергии (или вся энергия) будет отдана ядром в виде у-излучения. Такие реакции называются радиационным захватом и часто возникают под действием нейтронов малых энергий (п, у). При средних энергиях могут испускаться нейтроны, протоны, а-частицы, дейтроны, иногда некоторые другие частицы. Испускание нейтронов при сравнительно небольших энергиях реакции — наиболее вероятный процесс, так как для нейтронов не существует кулоновского барьера. Это в особенности относится к тяжелым ядрам, где барьер наиболее высок. Для легких ядер, кулоновский барьер которых сравнительно мал, возможно также испускание а-частиц и протонов. Другие частицы испускаются ядрами при более высоких энергиях. Таким образом, в зависимости от энергии бомбардирующих частиц реакция может идти несколькими конкурирующими путями. Примером может служить бомбардировка фтора нейтронами:
При бомбардировке тяжелых ядер нейтронами может происходить деление ядер. Образуется два ядра-осколка неравной величины и несколько нейтронов. Как правило, продукты деления являются радиоактивными изотопами элементов средней части таблицы Менделеева.