Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другими ядром, приво­дящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10^-13см благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы aс ядромX, в результате которо­го образуется легкая частицаbи ядроY:

X + a → Y + b.

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде

X(a, b)Y

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сна­чала исходная, затем конечная.

В качестве легких частиц a иb могут фигурировать нейтрон (n), протон (p), дейтрон (d), α – частица (α) и γ – фо­тон (γ).

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Она определяется разностью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реак­ция идет с поглощением энергии и энергия реакции будет отрицатель­ной.

В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключает­ся в захвате приблизившейся к ядруXчастицыaи в образовании промежуточного ядра П, называемогосоставным ядромиликомпаунд - ядром. Энергия, привнесенная частицейa(она слагается из кине­тической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоя­нии. На втором этапе составное ядро испускает частицуb. Символи­чески такое двустадийное протекание реакции записывается следую­щим образом:

X + a → П → Y + b

Если испущенная частица тождественна с захваченной (b ≡ a), процесс называютрассеянием. В случае, когда энергия час­тицыb равна энергии частицыa(E_b = E_a) , рассеяние являет­сяупругим, в противном случае (т.е. при E_b ≠ E_a) - неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частицаb не тождественна с a.

Промежуток времени τ_я, который требуется нуклону с энергией порядка

1 МэВ (что соответствует скорости нуклона ~ 10⁹см/с) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (~ 10^-12см), называетсяядерным временем(илиядерным временем пролета). Это время по порядку величины равно

Среднее время жизни составного ядра (равное 10^-14– 10^-12с) на много порядков превосходит ядерное время пролета τ_я. Следо­вательно, распад составного ядра (т.е. испускание им частицыb) представляет собой процесс, не зависящий от первого этапа реакции, заключающегося в захвате частицыa(составное ядро как бы "забывает" способ своего образования). Одно и то же составное ядро может распадаться различными путями, причем характер этих путей и их относительная вероятность не зависят от способа обра­зования составного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, проте­кают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят на­звание прямых ядерных взаимодействий.Типичной реакцией прямого взаимодействия является реакция срыва, наблюдающаяся при нецентраль­ных соударениях дейтрона с ядром. При таких соударениях один из нуклонов дейтрона может попасть в зону действия ядерных сил и будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон останется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически эту реак­цию можно представить в виде (d, p) или (d, n).

Обратной реакцией срыва является реакция подхвата- налетевший нуклон (nили p) откалывает от ядра один из нуклонов (pилиn), превращаясь при этом в дейтрон:(n, d) либо (p, d).

В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характери­зовать с помощью эффективного сечения σ. Смысл этой величины заключается в следующем. Пусть поток частиц, например, нейтронов, падает на мишень, настолько тонкую, что ядра мишени не перекрыва­ют друг друга (рис. 7). Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением σ, а падающие частицы – твердыми шариками с исчезающе малым сечением, то вероятность того, что падающая час­тица заденет одно из ядер мишени, была бы равна

P = σ n δ,

где n – концентрация ядер, т.е. число их в единице объема мишени,δ– толщина мишени (σ n δопределяет относительную долю площади мишени, перекрытую ядрами – шариками).

Пусть на мишень падает перпендикулярно к ее поверхности поток частиц N. Тогда количество частиц, претерпевающих в единицу времени столкновения с ядрами мишени, ΔN, определяется формулой

ΔN = NP = Nσ n δ.

Следовательно, определив относительное количество частиц, пре­терпевших столкновения, ΔN/N, можно было бы вычислить попе­речное сечение σ = πr²ядра по формуле

В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками. Однако по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для ха­рактеристики вероятности взаимодействия используют величину σ, определяемую формулой , в которой под ΔNпод­разумевают не число столкнувшихся, а число провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называ­ется эффективным сечением для данной реакции (или процесса).

Р и с. 7

В случае толстой мишени поток частиц будет по мере прохождения через нее постепенно ослабевать. Разбив мишень на тонкие слои, на­пишем соотношение для слоя толщины dx, находящегося на глубинеxот поверхности:

dN = – N(x)σ n dx,

где N(x)–поток частиц на глубинеx. Мы написали знак минус, чтобыdNможно было рассматривать как приращение (а не ослабле­ние) потока на пути dx. Интегрирование этого уравнения приводит к соотношению

N(δ) = N₀exp(–σ n δ),

в котором N₀–первичный поток, аN(δ) –поток на глубине δ. Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при прохождении их через мишень толщиныδ, можно определить сечение взаимодей­ствия по формуле:

Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших название барн:

1барн = 10^-24см² .

Впервые ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. При облучении азота α – частицами, испускаемыми радио­активным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом про­тон. Уравнение этой реакции имеет вид

Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами – α – частицами. Первая ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частица­ми, была осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью так называемого умножителя напряжения они ускоряли протоны до

Р и с. 8

энергии порядка 0,8 МэВ и наблюдали реак­цию

В дальнейшем по мере развития техники ускорения заряженных частиц множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем.

Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от заряженных частиц (p,d,α), нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией. Эффективные сечения реак­ций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфере действия ядерных сил, пролетая вблизи ядра, и, следовательно, тем больше вероятность его захвата. Поэто­му многие эффективные сечения изменяются как1/υ ~ E^-1/2.Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии E_r.

В качестве примера на рис. 8приведена кривая зависимости сече­ния захвата нейтрона ядромот энергии нейтронаE. Мас­штаб по обеим осям – логарифмический. В этом случае зависимость σ ~ E^-1/2 изображается прямой линией, описываемой уравнением:

lnσ = const – ½ lnE. Из рисунка видно, что, кроме области энергий вблизи 7 эВ, ходlnσ c lnEдействительно близок к прямолинейному. При Е = Е_r= 7 эВ сечение захвата резко возрастает, достигая 23 000 барн. Вид кривой указывает на то, что явление имеет резо­нансный характер. Такое резонансное поглощение имеет место в том случае, когда энергия, привносимая нейтроном в составное ядро, в точности равна той энергии, которая необходима для перевода состав­ного ядра на возбужденный энергетический уровень. Подобным же об­разом для фотонов, энергия которых равна разности энергий между первым возбужденным и основным уровнями атома, вероятность погло­щения особенно велика (резонансное поглощение света).

Представляет интерес реакция

которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, так как он β^-– радиоактивен, его период полураспада составляет 5730 лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и участвует в круговороте веществ в природе.

Количество возникающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоуглерода ΔN₊ в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер ΔN_{_} пропорционально числу имеющихся ядер N:

ΔN_{_} = kN.

Так как период полураспада очень велик, устанавливается равновесная концентрация ядер в обычном углероде, отвечающая условию

ΔN₊ =ΔN_{_} или ΔN₊ = kN.

Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распа­дам в минуту на каждый грамм углерода.

Пока организм живет, убыль в нем из-за радиоактив­ности восполняется за счет участия в круговороте веществ в при­роде. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекра­щается, и концентрацияв обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концен­трациюв останках организмов (в древесине, костях и т.п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен историческими методами, дала вполне удовлетворительные результаты.