5. Ядерные реакции. Эффективное сечение ядерных реакций. Наведенная активность

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:

Способы записи ядерных реакций

Употребляется два способа записи Я.р. Один из них аналогичен обычным хим. уравнениям, например:

причем вместо знака равенства чаще пишется стрелка, чтобы подчеркнуть, в каком направлении идет ядерная реакция. В правой части может быть указан энергетический выход реакции Q (в МэВ). Положительное значение Q соответствует выделению, а отрицательное - поглощению энергии в ядерной реакции.

Во втором (сокращенном) способе записи выделяются тяжелые ядра (мишень и продукты реакции), а бомбардирующая и выбрасываемая (или выбрасываемые) более легкие частицы пишутся в скобках и разделяются запятой. Указанная выше реакция записывается при этом как ¹³C(, n)¹⁶O, а все реакции такого типа называют реакциями (, n). Большое значение в астрофизике имеют также реакции (p,), (n,), (p, n), (p, 2n), () и др.

Энергетический выход ядерной реакции

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.

Энергетическим выходом реакции Q наз. разность между суммарными энергиями покоя всех частиц до и после Я.р. Если Q >0, то суммарная энергия покоя уменьшается в процессе Я.р. Такие Я.р. наз. экзоэнергетическими или беспороговыми. В принципе они могут протекать при сколь угодно малой начальной кинетической энергии частиц. Наоборот, при Q <0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции наз. эндоэнергетическими или пороговыми. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину (порог реакции).

Механизмы ядерных реакций. Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных свойств взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление называется упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер ²⁷А1 ему отвечает ядерные реакции ²⁷А1(п, п)²⁷А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это – так называемый прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно около 10^-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы. При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10^-15-10^-16 с. Это время отвечает времени жизни так называемого составного ядра - ядерной системы, образующейся в ходе ядерные реакции в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или неск. нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t иличастицу. Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, к-рый должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядроиспускаетквант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, которое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.

Исторически важная реакция (Боте и Беккер, 1930):

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

 

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ядерные реакции синтеза и деления.

Примером реакций синтеза (термоядерных реакций) может служить так называемый протон-протонный цикл:

В этой цепочке реакций синтеза ядер водорода (протонов) с превращением их в ядра гелия выделяется в общей сложности 25 МэВ энергии. Считается, что протон-протонный цикл является главным источником энергии в звездах типа Солнца. 1 грамм солнечного вещества содержит порядка 10²³ протонов, поэтому в результате превращения их в гелий выделится энергия, равная 55 000 кВт. Масса Солнца порядка 10³³ г, так что легко оценить, что Солнце сможет служить источником энергии еще около 20 миллиардов лет.

Реакции деления. Необычайно важным в приложениях является еще один тип ядерных реакций - реакции деления тяжелых ядер, вызываемые нейтронами. При расщеплении нейтроном тяжелого ядра образуются более легкие осколки с большей энергией связи, так что подобная реакция может быть экзотермической (т.е. идти с выделением энергии). Поэтому подобные реакции могут стать источниками энергии.

Цепная реакция. В каждой из реакций деления возникают дополнительные нейтроны, которые, в принципе, могут служить инициаторами следующих актов деления ядер урана-235. В результате в блоке урана, содержащего достаточное количество делящегося материала, может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция деления с выделением энергии. На пути к реальному осуществлению такой реакции стоит много трудностей, связанных с необходимостью замедления образующихся при делении нейтронов до таких небольших энергий, при которых они способны захватываться следующим ядром урана-235 (вероятность захвата нейтронов ядрами урана обратно пропорциональна скорости нейтрона). Кроме того, нужно не допустить вылета нейтронов за пределы рабочей области, для того, чтобы поддерживалась цепная реакция. Эти и многие другие трудности были преодолены Э. Ферми с сотрудниками, которые в конце 1942 г. запустили на территории Чикагского университета первый в мире ядерный реактор. Первый ядерный реактор в СССР был запущен под руководством И.В. Курчатова в Москве в 1946 г.

Эффективное сечение ядерных реакций

При облучении некоторого количества ядер нерадиоактивного изотопа частицами количество произошедших ядерных реакций рассчитывается по формуле:

Число ядерных реакций N пропорционально плотности потока частиц, числу облучаемых ядер и времени. Коэффициентом пропорциональности здесь является эффективное сечение ядерной реакции.

Эффективное сечение имеет размерность площади и по порядку величины сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (ок. 10^-28 м²). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10^-28 м²).

Реальные значениядля различныхядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10^-49 до 10^-22 м²). Значениезависит отприроды бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от свойств облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать так называемый резонансный захват нейтронов, который характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетическая энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на несколько порядков превышать нерезонансное сечение.

Наведенная радиоактивность – это радиоактивность, возникающая в материалах в результате их облучения элементарными частицами.

Рассчитать наведенную активность можно по формуле: