Ядерные реакции.

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к возникновению нового ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц, благодаря действию ядерных сил, возникает при сближении их до расстояний порядка 10^15м.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы с ядром , в результате которого образуется легкая частица и ядро :

.

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде

.

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сначала исходная, затем конечная. В качестве легких частиц и могут фигурировать нейтрон ( ), протон ( ), дейтрон ( ), частица ( ) и фотон ( ).

Ядерные реакции сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии 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.

Н. Бор (1936г) установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру частицы и в образовании промежуточного ядра , называемого составным ядром. Энергия, привнесенная частицей (кинетическая энергия частицы и её энергия связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего составное ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу .

Двухстадийное протекание реакции записывается следующим образом:

.

• Если испущенная частица тождественна с захваченной частицей ( ), процесс (6.5.34) называют рассеянием.

• В случае, когда энергия частицы равна энергии частицы , , рассеяние является упругим.

• В противном случае (при )  неупругим.

• Ядерная реакция имеет место, если частица не тождественна .

Ядерные реакции это превращение ядер одних элементов в ядра других при их бомбардировке элементарными частицами или ядрами других элементов. Любая ядерная реакция сопровождается испусканием элементарных частиц.

Практически все ядерные реакции сопровождаются тепловым эффектом. В ядерных реакциях либо выделяется, либо поглощается энергия.

Тепловой эффект реакции можно найти по формуле

,

где m₁ и m₂ – массы исходных ядер, m₃ и m₄ - массы ядер – продуктов реакции.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся:

1) распад;

2) распад (в том числе электронный захват);

3) излучение ядер;

4) спонтанное деление тяжелых ядер;

5) протонная радиоактивность.

Альфа-распад

Альфа-лучи  это поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

.

Буквой обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой  химический символ образующегося (дочернего) ядра.

Альфараспад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром лучей. Атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества.

Пример, распад изотопа урана , протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~10⁷м/с; кинетическая энергия  несколько МэВ). Пролетая через вещество, частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35эВ. Таким образом, частица образует на своем пути примерно 10⁵ пар ионов. Чем больше плотность вещества, тем меньше пробег частиц до остановки. В воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег имеет значение порядка 0,01мм ( частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и частицы. Избыточная энергия распределяется между частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Теория распада, основывающаяся на представлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта.

Бета-распад

Существуют три разновидности распада. В одном случае ядро испускает электрон, в другом  позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом ( захватом), ядро захватывает один из электронов оболочки, реже,  или оболочки.

Первый вид распада (^распад или электронный распад) протекает по схеме

.

В реакции электрону приписано зарядовое число и массовое число .

У дочернего ядра атомный номер на единицу больше, чем у материнского ядра. Массовые числа ядер одинаковые. Кроме электрона испускается также антинейтрино . Процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон. Дочернее ядро рождается не только в нормальном, но и в возбужденном состоянии. Переход в состояние с меньшей энергией сопровождается излучением фотона.

Примером ^распада служит превращение тория в протактиний с испусканием электрона и антинейтрино:

.

В отличие от частиц, имеющих строго определенную энергию, электроны обладают различной кинетической энергией от до .

Н а рисунке представлен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при ^ распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени,  число электронов, энергия которых заключена в интервале . Энергия соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра.

Распады, при которых энергия электрона меньше , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

В.Паули (1932г) высказал предположение, что при ^распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, уносящая энергию: . Эта частица никак себя не обнаруживает, поэтому считают, что она нейтральная и обладает весьма малой массой, близкой к нулю. Эту гипотетическую частицу назвали нейтрино.

Участие в ^распаде еще одной частицы диктуется также законом сохранения момента импульса. Причем нейтрино необходимо приписать спин, равный 1/2 (или 3/2). Если написать схему без антинейтрино, тогда суммарный спин возникающих частиц (для двух частиц с s=1/2 может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы равного 1/2. Установлено, что спин нейтрино и антинейтрино равен 1/2.

Вывод  энергия, выделяющаяся при распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада ( распад, или позитронный распад) протекает по схеме

.

В реакции позитрону приписано зарядовое число и массовое число .

Примером служит реакция превращения азота в углерод :

.

Атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона, обозначенного в реакции символом и нейтрино , не исключено возникновение лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Обе частицы (позитрон и нейтрино), испускаемые при распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при ^-распаде.

Процесс ^распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

.

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, поскольку масса протона меньше массы нейтрона. В ядре протон может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, входящих в состав ядра.

Третий вид распада (электронный захват) заключается в захвате ядром одного из электронов (реже  одного из  или электронов) своего атома.

В результате электронного захвата один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в низшие энергетические состояния, оно испускает фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

.

На вакантное место в электронной оболочке переходят электроны из вышележащих слоев, процесс сопровождается рентгеновским излучением.

Электронный захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Примером электронного захвата служить превращение калия в аргон :

.

Спонтанное деление тяжелых ядер. Кроме α-, β-, γ-распадов советскими физиками Г.Н.Флеровым и К.А.Петржаком (1940г) открыт четвертый тип распада – самопроизвольное деление ядер урана на две примерно равные части. Это явление наблюдается у многих тяжелых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению.

Протонная радиоактивность. В 1970г. обнаружена протонная радиоактивность, при которой ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (или нейтрона). Второй тип распада теоретически предсказал советский физик В.И.Гольданский (1960г) – это двухпротонная или двухнейтронная радиоактивность. Протонную радиоактивность впервые наблюдали советские физики, руководимые Г.Н.Флеровым (1963г).

Радиоактивность называется естественной, если распадаются ядра, существующие в природных условиях. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиальных различий. Процесс радиоактивного превращения и в том, и другом случае описывается одним законом.

Закон радиоактивного превращения. Радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Можно считать, что количество ядер , распадающихся за малый промежуток времени , пропорционально как числу имеющихся ядер , так и промежутку времени :

.

Здесь  постоянная радиоактивного распада.

Постоянная распада  это вероятность того, что ядро распадется в единицу времени.

Знак минус взят для того, чтобы можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер .

Интегрирование приводит к соотношению

,

где  количество ядер в начальный момент времени,  количество нераспавшихся атомов в момент времени t. Формула выражает закон радиоактивного превращения, который формулируется так: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

.

Время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада .

.

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер изменяется в пределах от 310^─7с до 510¹⁵ лет.

Среднее время жизни - величина, обратная постоянной распада :

.

Период полураспада отличается от среднего времени жизни числовым множителем, равным ln2.

Активность радиоактивного вещества. Активностью радиоактивного препарата называется число распадов, происходящих в препарате за единицу времени. Если за время распадается ядер, то активность равна .

Согласно закона радиоактивного распада в дифференциальной форме

и активность радиоактивного препарата будет равна

.

В СИ единицей активности является беккерель (Бк). 1 беккерель равен одному распаду в секунду. Допускается применение внесистемных единиц расп./мин и кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,710¹⁰ распадов в секунду.