1.3. Ядерные реакции под действием частиц.

Основное отличие ядерных реакций от радиоактивного распада, это участие в процессе, кроме ядра, других частиц. Такой частицей может быть: нейтрон, протон, электрон, гамма-квант, альфа-частица и т.д.

Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими ядрами.

Первую ядерную реакцию осуществил Э.Резерфорд в 1919 году направляя пучок альфа-частиц на вещество, содержащие ядра азота, в результате были получены изотопы кислорода и водорода:

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

В реакциях выполняются законы сохранения: энергии, импульс, момента импульса (спина), электрического заряда, и т.д.

Если масса и энергия налетающих частиц больше массы возможных продуктов (дочерних ядер) и выполняются все законы сохранения, то реакция может произойти. Если, при одних исходных ядрах в результате взаимодействия могут возникнуть разные дочерние ядра, то говорят об возможных каналах протекания реакции и их вероятностях.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

Q = (M_A + M_B – M_C – M_D)c² = ΔMc²

где M_A и M_B – массы исходных ядер, M_C и M_D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для анализа энергетического выхода ядерных реакций удобно ввести понятия: энергии связи ядра и энергии связи на один нуклон.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в исходных ядрах должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии: деление тяжелых ядер (Z > 90) и синтез легких ядер. В случае деления, тяжелое ядро разделяется на два или три ядра (осколка) сравнимых по массе и несколько нейтронов, гамма-квантов и нейтрино. При этом общая масса продуктов деления меньше массы исходного ядра, а «исчезнувшая» масса проявляется, в основном, в виде энергии кинетической энергии осколков и нейтронов, а также в виде энергии нейтрино и гамма-квантов.

Наиболее «легко» реакции деления тяжелых ядер протекают под действием нейтронов, т.к. нейтроны взаимодействуют с ядрами, под действием ядерных сил, и могут близко подойти к ядру, не имея электрического заряда. Ядерные реакции с нейтронами составляют предмет специального раздела ядерной физики – нейтронной физики. Наиболее важными реакциями, протекающими при взаимодействии нейтронов с ядрами среды, являются реакции упругого рассеяния, радиационного захвата и деления. Именно за счет энергии, выделяемой в реакциях деления ядер урана и плутония, на АЭС производится электроэнергия.

В случае реакций синтеза два легких ядра, взаимодействуя, превращаются в другие ядра (продукты реакции). Масса продуктов реакции синтеза меньше массы исходных ядер, а «исчезнувшая» масса, как и в случае реакции деления, проявляется в виде кинетической энергии продуктов. Протеканию реакции взаимодействия заряженных частиц мешают электромагнитные силы. Эти силы выстраивают на пути заряженных частиц – кулоновский барьер, который препятствует сближению частиц на расстояние действия ядерных сил. Для преодоления кулоновского барьера необходима большая энергия взаимодействующих частиц, а следовательно – высокая температура. Именно из-за данного условия протекания реакции синтеза часто называют термоядерными реакциями.