Ядерные реакции

Ядерная реакция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α -частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α -частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

1)реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).

2)прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием.

Законы сохранения для ядерных реакций:

1)Закон сохранения энергии (i-до, j-после)

2)Закон сохранения импульса

3)закон сохранения момента импульса

4)закон сохранения электрического заряда

5)Закон сохранения массового числа

-деление атомного ядра

1°. Ядерными реакциями называются искусственные пре­вращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. В большинстве случаев в ядерных реакциях участвуют два ядра и две час­тицы; одна пара «ядро — частица» называется исходной парой, а другая — конечной парой.

2°. Символическая запись ядерной реакции;

А + а —* В + b или А (а, Ь)В,

где А и В — исходное и конечное ядра, а и b — исходная и конечная частицы в реакции. В ряде случаев ядерная реак­ция может происходить неоднозначно: наряду со схемой А+а-> В+Ь она может происходить по схеме А+а-»С+с и по другим схемам. Возможные пути протекания ядер­ной реакции называются ее каналами (каналы ядерной ре­акции).

3°. Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции Q, равной разности кинетических энергий конеч­ной и исходной пар в реакции. При Q< О реакции идут с по­глощением энергии и называются эндотермическими; при Q> 0 реакции идут с выделением энергии и называются экзотермическими. Последний тип ядерных реакций имеет большое практическое значение (VI.4.11.2°).

4°. При всех ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения суммарного электрического заряда и числа нук­лонов. Кроме того, выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса (момента количества движения *)).

5°. Ядерные реакции классифицируются:

а) по энергиям частиц, вызывающих реакции;

б) по роду частиц, участвующих в реакциях;

в) по массовым числам ядер, участвующих в реакциях (VI. 4.1.2°).

6°. Различаются ядерные реакции при малых, средних и высоких энергиях частиц. Реакции при малых энергиях (порядка эВ) происходят в основном с участием нейтронов. Реакции при средних значениях (до нескольких МэВ) про­исходят также под действием заряженных частиц, у-кван-

тов и космического излучения. Реакции при высоких энергиях приводят к разложению ядер на составляющие их нуклоны и к рождению элементарных частиц (мезонов, гиперонов и др.).

7°. Ядерные реакции, помимо нейтронов, вызываются заряженными частицами: протонами (ядрами обычного водорода), дейтонами (дейтронами) (ядрами тяжелого во­дорода ID), а-частицами (ядрами гелия аНе), многозаряд­ными ионами тяжелых химических элементов. Источниками заряженных частиц могут быть естественно-радиоактивные химические элементы (VI.4.4.Г), ускорители (VI.4.16.1°) космическое излучение. Ядерные реакции могут также про­исходить под действием у-квантов — фотоядерные реакции (ядерный фотоэффект).

8°. В зависимости от массовых чисел (VI.4.1.2°) ядер различаются: реакции на легких ядрах (А< 50), реакции на средних ядрах (БОСЛСЮО) и реакции на тяжелых яд­рах (Л> 100). По характеру происходящих ядерных прев­ращений ядерные реакции весьма разнообразны. (Некото­рые важные примеры приводятся в дальнейшем.)

9°. Ядерные реакции могут происходить либо в один этап, либо в два этапа. В последнем случае на первом этапе реакции налетающая частица застревает в ядре — ми­шени. Энергия частицы передается не одному, а многим нук­лонам ядра. Захват ядром попавшей в него частицы при­водит к образованию промежуточного ядра (составное ядро). Промежуточное ядро находится в возбужденном состоянии. Через некоторое время, большое по сравнению с характер­ным ядерным временем, энергия в ядре вновь концентри­руется на одной частице и следует ее вылет из ядра — вто­рой этап ядерной реакции.

10°. Ядерные реакции под действием а-частиц были пер­выми ядерными реакциями, подтвердившими возможность превращения одних химических элементов в другие. Реак­ции этого типа с образованием протонов происходят по схеме

$X+JHe —fcJY + ip,

где X и Y — химические символы исходного ядра и ядра — продукта реакции. Исторически первой ядерной реакцией была реакция превращения азота ^X, N в кислород:

|⁴N •+■ |Не —* -f ip.