Виды ядерных реакций

Ядерные реакции в лабораторных условиях выполняются путем бомбардировки ядер, содержащихся в реакциях, в процессе которого меняется структура ядра. В основном, они осуществляются для выяснения механизма взаимодействия нуклонов друг с другом и нуклонов с ядрами или для определения той или иной квантовой характеристики ядра. Число известных ядерных реакций более тысячи. Рассмотрим типы ядерных реакций, имеющих историческое значение. В общем виде ядерные реакции можно записать в следующем виде:

, где

- частица, падающая на ядро;

- исходное ядро;

- частица, полученная в результате взаимодействия;

- ядро – продукт.

Столкновения, при которых меняется структура ядра, называются ядерными столкновениями, а реакцию при этом обозначают .

Рассмотрим типы реакций:

I) Ядерные реакции под действием а-частиц. В значительном числе случаев реакции под действием а-частиц сводятся к образованию составного ядра, которое потом распадается. Этим они сходны с реакциями, идущими под действием нейтронов и протонов. Существующее же различие в зарядах сказывается лишь на проницаемости кулоновского потенциального барьера. Сечения ядерных реакций, обусловленных захватом а-частиц в области малых энер­гий, ничтожно малы и быстро возрастают с увеличением энергии. Под действием частиц идут преимущественно реакции типа и . Частицы, возникшие при радиоактивном распаде, могут вызвать реакции только на легких ядрах, для которых высота кулоновского потенциального барьера имеет порядок 10 МэВ. В этом случае вероятность реакций больше, чем реакций типа , так как для протона тоже существует кулоновский барьер, затрудняющий его вылет.

Высота кулоновского барьера для реакций на тяжелых ядрах имеет порядок 25 МзВ. При энергиях а - частиц, превышающих это значение, реакции типа и идут примерно с равной вероятностью.

1) Реакция . Формула смещения для них: . Примером такой реакции может быть реакция, осуществленная Резерфордом в 1919 г.

или При этих реакциях, как правило, образуются стабиль­ные ядра.

2) Реакция . Формула смещения для них:

или

Примером такой реакции может быть реакция на алюминии, которая позволила супругам Кюри обнаружить исскуственную радиоактивность

или .

3) В 1932 г. Чедвиг открыл существование нейтрона в подобной реакции на бериллии:

или .

Эта реакция и в настоящее время широко используется как про­стейший источник нейтронов, α-частицы, так же как протоны и дейтроны, могут вызвать возбуждение ядер путем кулоновского взаимодействия. В каждом таком случае возбужденное ядро избавляется, в конце концов, от избыточной энергии путем испуска­ния - квантов.

II) Ядерные реакции под действием протонов. Под действием протонов идут реакции , , , , .

1) Реакции типа идут преимущественно на легких ядрах, так как выход α - частиц из тяжелых ядер сильно затруднен кулоновским барьером. Обычно эти реакции экзоэнергетические. Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция, осуществляемая с помощью частиц, ускоренных на ускорителях в 1932 г.

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Исследование этих реакций помогло выяснить механизм протекания ядерных реакций .

3) Реакции типа Формула смещения для них . Реакции этого типа всегда эндоэнергетические с порогом порядка (1 - З) МэВ. Как правило, ядро - продукт, приоб­ретая добавочный положительный заряд, проявляет β+ - или К - активность. Примером такой реакции может быть реакция

4) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция

5) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция . Данная реакция служит источником γ-лучей до 17 МэВ, в результате чего получаются жесткие лучи.

III) Реакции, идущие под действием дейтрона. Ядерные реакции под действием дейтронов имеют большое практическое значение. Выход этих реакций обычно гораздо больше выходов соответствующих реакций под действием других заряженных частиц. Кроме того, следствием малой величины энергии связи дейтрона является большая энергия возбуждения промежуточного ядра, и, как правило, реакции с поглощением дейтрона экзоэнергетические Особенности протекания реакций под действием дейтронов определяются тем, что дейтрон представляет собой слабосвязанное «рыхлое» ядро ( = 2,23 МэВ). Нуклоны в ядре дейтрона находятся на довольно большом расстоянии друг от друга (~4-10~¹³ см), и распределение заряда в нем чрезвычайно «асимметрично».

При этом идут реакции и .

Такие реакции при высоких энергиях называются реакциями срыва, а при малых энергиях — процессом Оппенгеймера — Филипса (или процессом неполного проникновения дейтрона в ядра). В отличие от рассмотренного выше механизма протекания ядерной реакции с образованием промежуточного ядра в процессах 3-го типа дейтрон вообще не попадает в атомное ядро. Благодаря большим размерам дейтрона при его приближении к ядру нейтрон может проникнуть в ядро мишени, когда протон будет находиться еще довольно далеко от ядра. При этом произойдет развал дейтрона, а из-за кулоновского отталкивания протон не проникнет в ядро. Поэтому при малых энергиях реакция более вероятна, чем реакция . Если бы эти реакции шли через составное ядро, то имела бы место обратная картина, поскольку вылет протона из составного ядра затрудняется кулоновским барьером. При высоких энергиях дейтрона реакции и происходят одинаково часто. В этих процессах наблюдается анизотропия углового распределения продуктов реакции, которые летят преимущественно вперед, что также противоречит модели составного ядра.

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция срыва, теоретически рассмотренная Оппенгеймером . .

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

3) Бомбардировка ядра дейтроном, приводящая, как обычно, к образованию составного ядра. При этом идет реакция по следующей схеме . Примером служит реакция .

IV) Фотоядерные реакции (реакции под действием γ - лучей). Под действием γ - лучей возможны реакции типа и Все они похожи на рассмотренный ранее процесс фотоэлектриче­ского поглощения γ -лучей атомом и поэтому называются ядерным фотоэффектом. Для осуществления одной из таких реакций необ­ходимо, чтобы энергия γ - кванта была больше энергии связи соот­ветствующей частицы в ядре.

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция .

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция .

Исследование выхода протонов и нейтронов в реакциях , , а также углового и энергетического распределения продуктов реакции показало, что эти реакции также противоречат концепции составного ядра.

V) Ядерные реакции под действием нейтронов. Под действием нейтронов возможны реакции типа , , , , .

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

3) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция , а также реакция, в результате которой получен первый трансурановый элемент - 1-ая реакция в результате которой получен трансурановый элемент и наконец ядерные реакции, вызванные ускоренными частицами. Например,