38. Ядерные взаимодействия и ядерные реакции. Общие закономерности и различные механизмы ядерных реакций. Особенности протекания ядерных реакций под действием различных частиц.

Ядерными реакциями называются процессы перестройки атомного ядра, сопровождающиеся генерацией новых частиц, возникающих в результате взаимодействия ядра с другими ядрами или элементарными частицами, при их сближении до расстояний, на которых проявляется действие ядерных сил. В результате интенсивного взаимодействия исходного ядра А и некоторой элементарной частицы a образуется новое ядро В и другая частица b. В большинстве ядерных реакций участвует одна исходная пара (ядро А и частица а) и вторая конечная пара (ядро-продукт В и частица b). Запись реакции производится либо в форме, аналогичной записи химической реакции A+a→B+b

Взаимодействие бомбардирующей частицы с ядром-мишенью может вызвать эффекты:

Упругое рассеяние – взаимодействие, при котором частица и ядро сохраняют свою индивидуальность, а происходит лишь перераспределение их кинетической энергии. A+a→A+a

Неупругое рассеяние. В этом случае вылетает частица того же вида, что и бомбардирующая, но конечное ядро образуется в возбужденном состоянии, состав ядра не меняется: А+a→A*+a

Собственно ядерная реакция – взаимодействие, при котором изменяются внутренние свойства и состав ядра-мишени и вылетает новая частица:

B+b

A+D

C+c

Ядерные реакции классифицируются:

По энергиям вызывающих их частиц.

По роду участвующих в реакции частиц.: а) реакции под действием нейтронов; б) реакции под действием фотонов; в) реакции под действием заряженных частиц.

По виду участвующих в них ядер.: а) реакции на легких ядрах (А<50); б) реакции на средних ядрах (50<A<100); в) реакции на тяжелых ядрах (А>100).

По энергетическому (тепловому) эффекту а) экзотермические, протекающие с выделением энергии (Q>0); б) эндотермические,

По характеру происходящих ядерных превращений. По этому признаку различают: кулоновское возбуждение, радиационный захват, реакции срыва, ядерный фотоэффект, деление ядер, термоядерный синтез и т.д.

1. Прежде всего в ядерных реакциях имеет место закон сохранения электрического заряда. Полный электрический заряд ядра А и частицы а всегда равняется полному заряду продуктов реакции B+b

2. Имеет место выполнение закона сохранения полного числа нуклонов

3. Сохраняются первые интегралы движения механики: полная энергия, импульс, момент импульса, так можно считать, что взаимодействующие частицы представляют замкнутую механическую систему.

Различные механизмы ядерных реакций

Механизм составного (компаунд) ядра Бора. Он основан на предположении, что реакция протекает в две стадии с образованием промежуточного возбужденного ядра:

A+a  C*  B+b (6.25)

Механизм прямого ядерного взаимодействия. Существуют процессы, в которых взаимодействие быстрого нуклона с ядром происходит как столкновение налетающей частицы лишь с одним-двумя нуклонами ядра-мишени или как обмен какой-либо частицей. В этих случаях образование составного ядра не происходит.

Механизм кулоновского возбуждения. В некоторых процессах пролетающая заряженная частица взаимодействует с ядром только своим электрическим полем.

Механизм одиночного или множественного рождения частиц. При сверхвысоких энергиях бомбардирующих частиц (>10⁹ эВ) наблюдается множественное рождение мезонов, а иногда и барион-антибарионных пар.

Ядерные реакции под действием нейтронов

А. Реакции с образованием составного ядра:

• упругое резонансное рассеяние (n,n)

• радиационный захват (n,)

• неупругое рассеяние (n,n’)

• расщепление с вылетом заряженных частиц (n,p), (n,)

• реакции типа (n,2n)

• деление ядра (n,f)

B. Реакции без образования составного ядра – упругое потенциальное рассеяние.

Ядерные реакции под действием протонов.

Реакции под действием протонов, как и других элементарных частиц (дейтерон, -частица) отличаются от рассмотренных выше реакций под действием нейтронов прежде всего тем, что для них существует потенциальный барьер ядра и положительно заряженная частица должна преодолеть сильное кулоновское отталкивание. Поэтому, только обладая большой энергией, заряженные частицы в состоянии подойти близко к ядру и вызвать ядерную реакцию. Протоны могут вызвать следующие реакции: (p,), (p,n) и (p,).

Ядерные реакции под действием дейтеронов; реакции срыва.

Ядерные реакции, происходящие под действием дейтерона можно разделить на три типа:

1. Бомбардировка ядра дейтероном, приводящая, как обычно, к образованию составного ядра по схеме:

например:

2. «Электрическое» расщепление дейтерона кулоновским полем ядра мишени:

₁H² + _ZM^A  _ZM^A + p + n

Если дейтерон пролетает вблизи ядра, но не в поле действия ядерных сил, то на него действует только кулоновское поле ядра, что аналогично воздействию электромагнитной волны. Это приводит к расщеплению дейтерона. Сечение данного процесса оказывается весьма большим. Для тяжелых ядер оно имеет тот же порядок величины, что и сечение других процессов.

3. Образование нового ядра при поглощении только одного из нуклонов, входящих в состав дейтерона. При этом идут реакции типа (d,p), (d,n).

Ядерные реакции под действием -частиц

При энергии -частиц порядка нескольких МэВ характерны реакции (,p) и (,n); в реакциях первого типа освобождаются протоны, а в реакциях второго типа – нейтроны. При больших энергиях -частиц (30-50 МэВ) возможны также и ядерные реакции (,2n), (,np), (,2p).

1. Фотоядерные реакции (реакции под действием -лучей).

Под действием -лучей возможны реакции типа (,n), (,p) и (,). Все они похожи на рассмотренный ранее процесс фотоэлектрического поглощения -лучей атомом и поэтому называются ядерным фотоэффектом. Для того чтобы одна из таких реакций могла идти, необходимо, чтобы энергия -кванта была больше энергии связи соответствующей частицы в ядре.