Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 51.Основные типы ядерных реакций (примеры)

51.Основные типы ядерных реакций (примеры). Эффективное сечение ядерных реакций. Наведенная активность; ее расчет. Применение радиоактивных изотопов.

Ядерными реакциями называются любые превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с элементарными частицами, гамма-квантами или другими ядрами. Такие взаимодействия становятся возможными при сближении реагирующих частиц на расстоянии, сравнимые с размером ядра (около 10^-15 м).

Заряженным частицам необходимо преодолеть потенциальный барьер электрических сил отталкивания, поэтому с ними ядерные реакции могут происходить только при больших энергиях частицы (несколько МэВ). Для нейтральных частиц реакции возможны при любой энергии частицы.

(Здесь Н – ядро водорода или, что то же самое, протон).

В результате ядерных реакций часто (хотя не обязательно) возникают радиоактивные изотопы. Такой процесс называют активацией. при облучении веществ потоком частиц (квантов), для разных элементов вероятность взаимодействия частиц с ядрами весьма различна. Например, при воздействии медленными нейтронами на образцы кобальта (⁵⁹Со) и железа (⁵⁶Fe), содержащие одинаковое число атомов, в кобальте в 30 тыс. раз больше ядерных реакций, чем в железе. Можно сказать, что вероятность взаимодействия медленных нейтронов с ядрами Со в 30 тыс. раз выше, чем с ядрами Fe. Количественной мерой вероятности взаимодействия частицы с ядром является величина, называемая эффективным сечением реакций, обозначаемая буквой сигма.

Пусть кусок однородного вещества, содержащий N атомов, облучают частицами или квантами при плотности потока Ф (плотность потока = числу частиц, падающих на ед. площади в ед. времени). Тогда число ядерных реакций «n будет прямо пропорционально числу атомов n, плотности потока Ф и времени облучения t:

n_{реакций}= сигма*ФNt

Коэффициент сигма – эффективное сечение данной реакции и измеряется в метрах кв. или сантиметрах кв.

Величина эффективного сечения определённой ядерной реакции зависит, в первую очередь, о природы изотопа и рода частиц, участвующих в реакции; кроме того, существенное значение имеет энергия частиц.

Значение величины эффективного сечения для различных веществ необходимо для расчетов, связанных с получением изотопов, созданием атомного оружия, оценкой воздействия ионизирующих излучений на различные объекты и т. д.

При облучении нейронами вода становится радиоактивной следствие захвата нейтронов ядрами кислорода, что приводит к образовании радиоактивных изотопов кислорода. ¹⁶О + N = ¹⁷O

¹⁸О+ N = ¹⁹O (сигма 1 = 10^-6бн, сигма 2 = 0,95бн)

Число атомов ¹⁸О в воде в миллион раз меньше, чем ¹⁶О; можно было бы думать, что тяжелый изотоп не играет ни какой заметной роли. Но эффективное сечение захвата нейтрона для ¹⁸О почти в миллион раз больше, чем для ¹⁶О, и из-за этого почти оба изотопа вносят почти одинаковый вклад в активацию воду.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ МАССЫ И ЭНЕРГИИ В ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ

Ядерные реакции могут протекать как с поглощением, так и с выделением энергии. Эта энергия, в соответствии с формулой Эйнштейна, численно равна разности масс исходного и конечного ядер, умноженный на квадрат скорости света, т. е. для ядерных реакций закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяется с помощью формулы Эйнштейна.

Если сумма масс исходных ядер и частиц больше суммы масс продуктов реакции, реакция идёт с выделением энергии.

Радиоактивность, возникшую в веществе после облучения нейтронами, называют наведённой радиоактивностью. Именно путём активации получают большинство радиоактивных изотопов, применяемых в медицине и других областях. Например, изотоп кобальта (⁵⁹₂₇Со+n=⁶⁰₂₇Со+гамма). Расчет наведённой активности может быть рассчитан по формуле: A=0,693*сигма*Ф*t*m*N_a/T*M