36.9. Ядерні реакції

Ядерними реакціями називаються перетворення атомних ядер, спричинені їх взаємодією з елементарними частинками або одне з одним.

Найпоширенішими є бінарні реакції

a+A  B+b,

(36.22)

де a і b — частинки, що відповідно бомбардують і висилаються в ядерній реакції (як такі частинки можуть фігурувати нейтрон , протон , дейтрон , -частинка тощо, A і B — вихідне та кінцеве ядра.

В будь-якої ядерної реакції виконуються закони збереження електричних зарядів, масових чисел, енергії, імпульсу та моменту імпульсу.

Енергетичний баланс реакції (36.22) обчислюється по різниці мас частинок, які вступили в реакцію та утворилися в її результаті:

W=931,5(ma+MA–MB–mb) МеВ

(36.23)

При протіканні ядерної реакції енергія або виділяється (W>0 — екзотермічна реакція), або поглинається (W<0 — ендотермічна реакція).

Мінімальна кінетична енергія частинок, що зіштовхуються, починаючи з якої реакція стає енергетично можливою, називається порогом реакції. При бомбардуванні нерухомої мішені (ядра A) потоком частинок a реакція (36.22) може протікати лише в тому випадку, якщо кінетичної енергії частинок a досить для подолання потенціального бар'єра кулонівського відштовхування W_кул, переведенню ядра в збуджений стан W і наданні йому кінетичної енергії віддачі W_від. Таким чином,

W=Wкул+W+Wвід.

(36.24)

Звичайно ядерні реакції протікають у два етапи. Перший етап полягає в захопленні ядром частинки a і утворенні проміжного ядра, яке називають складовим або компаунд-ядром (Н. Бор, 1936 р.). Енергія частинки, що влетіла, за дуже короткий час перерозподіляється між всіма нуклонами і «температура» ядра підвищується до 10⁹ К. На другому етапі компаунд-ядро розпадається з утворенням частинки b. Символічно такий двостадійний перебіг реакції записується у вигляді

a+AB+b.

Час життя компаунд-ядра 10^–14 с, що значно більше характерного ядерного часу, тобто часу прольоту частинки з енергією 1 МеВ відстані, що дорівнює діаметру ядра. Цей час за порядком величини становить τ_я=10^–22 с. Таким чином, за час життя компаунд-ядра привнесена ззовні часткою a енергія встигає перерозподілитися між нуклонами: за рахунок зіткнень між ними. Складове ядро живе настільки довго, що повністю «забуває», як воно утворилося. У зв'язку із цим характер розпаду компаунд-ядра не залежить від способу його утворення й, отже, одне й те саме складове ядро може розпадатися різними шляхами.

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом в 1919 р. У цій реакції для бомбардування ядер азоту використовувалися -частинки, утворені під час природного радіоактивного розпаду ядер:

.

В 1932 р. Д. Чедвіг відкрив нейтрон, що утворюється у такій ядерній реакції:

.

Оскільки нейтрони електрично нейтральні, то їм не потрібно долати кулонівський бар'єр відштовхування і, отже, пирогова енергія реакцій за участю нейтронів знижується. Тому ядерні реакції, що відбуваються при бомбардуванні ядер нейтронами, є досить ефективними.

Імовірність захоплення нейтрона ядром зростає в міру зменшення швидкості нейтронів. Це пояснюється тим, що чим менше швидкість нейтрона, тим більший час, протягом якого він проводить у сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу від ядра. Залежність імовірності захоплення від швидкості нейтронів описується плавно змінюваною функцією, однак, у тих випадках, коли енергія нейтрона дорівнює енергії збудження ядра, імовірність його захоплення різко зростає (явище резонансного поглинання нейтронів).

Резонансне поглинання нейтронів найпоширенішим ізотопом урану приводить до ланцюжка радіоактивних перетворень, у результаті яких утворюються трансуранові елементи і :

,

.