Ядерные реакции.

Большинство ядерных реакций происходят в две стадии. Первой стадией взаимодействия интересующей нас реакции ядра с нейтроном идет через образование составного ядра. Символически ее можно представить так:

(4)

причем - составное ядро, которое обычно оказывается в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения для каждого ядра соответствует определенному состоянию, и поэтому каждый нуклид имеет свой собственный спектр возбужденных уровней. Если сумма кинетической энергии нейтрона и энергии связи совпадает с каким либо уровнем возбуждения ядра (резонансным уровнем), то есть , то нейтрон попадет в ядро и образуется составное ядро . В противном случае произойдет реакция рассеяния без образования составного ядра. Таким образом, всякая ядерная реакция является резонансной. Длительность существования возбужденного состояния ядра много больше того промежутка времени, которое требуется нейтрону, чтобы пролететь сквозь ядро без взаимодействия. Поэтому компаунд-ядро «забывает» исходную реакцию, которая привела к этому возбужденному состоянию. В дальнейший происходит распад возбужденного состояния ядра, и именно эти распады определяют конечный тип реакции взаимодействия нейтрона с ядром. Время жизни возбужденного состояния является статистической величиной и характеризуется средним временем жизни . Различных исходов для реакции взаимодействия нейтронов с ядрами тяжелых элементов четыре. Во-первых, возбужденное состояние может завершиться делением исходного ядра на два осколка, то есть произойдет реакция деления, с образование осколков деления, нейтронов деления и энергии деления

Во-вторых, возможен другой путь, когда возбуждение снимается испусканием γ-кванта, энергия которого равна энергии возбужденного состояния, а само компаунд ядро переходит в основное устойчивое состояние

Это так называемая реакция радиационного захвата нейтрона, в результате которой теряется исходный нейтрон, образуется новый изотоп и вылетает γ-квант. Обе эти реакции, реакция деления и реакция радиационного захвата, приводят к поглощению нейтрона.

Последние два исхода завершаются тем, что возбужденное ядро испускает нейтрон. Если при испускании нейтрона выполняется закон сохранения кинетической энергии, то происходит реакция упругого рассеяния нейтрона .

В другом случае наряду с нейтроном испускается -квант и поэтому реакция идет в два приема и называется реакцией неупругого рассеяния . Неупругое рассеяние нейтронов является пороговой реакцией, так как для ее осуществления энергия налетающего нейтрона должна быть выше определенного значения (энергии первого уровня, которая называется порогом реакции неупругого рассеяния). К реакциям порогового типа относится и реакция , при которой возбужденное ядро испускает два нейтрона. Вероятность этой реакции существенно ниже, чем реакции рассеяния, поскольку налетающий нейтрон должен иметь большую энергию (). В результате реакции рассеяния нейтрон изменяет как направление своего движения, так и энергию, причем в большинстве случаев энергия нейтрона уменьшается.

Какого типа ядерная реакция произойдет в каждом конкретном случае, определяется свойствами ядра и не зависит от внешних условий. Для каждого типа распада свое время жизни возбужденного состояния. Величина, обратная среднему времени жизни, пропорциональна вероятности данного типа распада в единицу времени. Поэтому измеряя среднее время жизни возбужденного состояния ядра относительно какого либо процесса распада можно рассчитать Если рассмотреть структуру уровней возбуждения ядер по шкале энергий, то можно отметить следующие особенности для тяжелых ядер. Самые первые нижние уровни являются изолированными, то есть отстоят друг от друга на расстоянии, равном энергии самого первого уровня. Заметим, что в силу конечного времени существования возбужденного состояния, его энергия также не является строго определенной, а имеет некоторый разброс относительно энергии резонанса. Величина этого разброса, то есть неопределенность в значении энергии возбуждения ядра удовлетворяет принципу неопределенности Гейзенберга , так что если , то энергетическая неопределенность уровня, или ширина уровня . Так вот расстояние между низколежащими уровнями много больше ширины уровня. По мере увеличения энергии уровня расстояние между уровнями уменьшается, а ширина уровня растет, поэтому высоколежащие уровни начинают налагаться друг на друга и образуют сплошной спектр возбужденных состояний.

Рис. 1.3 Схема возбужденных уровней для легких (а) и тяжелых (б) ядер