Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызываемые их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

Наиболее распространенными являются бинарные реакции

где a и b — бомбардирующая и испускаемая в ядерной реакции частицы (в качестве таких частиц могут фигурировать нейтрон , протон , дейтрон , a-частица и др.); A и B — исходное и конечное ядра.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов, массовых чисел, энергии, импульса и момента импульса.

Энергетический баланс реакции (36.22) вычисляется по разности масс частиц, вступивших в реакцию и получившихся в результате нее:

При протекании ядерной реакции энергия либо выделяется (DW>0 — экзотермическая реакция), либо поглощается (DW<0 — эндотермическая реакция).

Минимальная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, начиная с которой реакция становится энергетически возможной, называется порогом реакции. При бомбардировке неподвижной мишени (ядра A) потоком частиц a реакция (36.22) может протекать лишь в том случае, если кинетической энергии частиц a достаточно для преодоления потенциального барьера кулоновского отталкивания W_кул, перевода ядра в возбужденное состояние DW и сообщения ему кинетической энергии отдачи W_отд. Таким образом,

Обычно ядерные реакции протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате ядром частицы a и образовании промежуточного ядра, называемого составным или компаунд-ядром (Н. Бор, 1936 г.). Энергия влетевшей частицы за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами и «температура» ядра повышается до 10⁹ К. На втором этапе компаунд-ядро распадается с образованием частицы b. Символически такое двухстадийное протекание реакции записывается в виде

a+A®P®B+b.

Время жизни компаунд-ядра ~10^–14 с, что значительно больше характерного ядерного времени, т.е. времени пролета частицы с энергией 1 МэВ расстояния, равного диаметру ядра. Это время по порядку величины равно t_я=10^–22 с. Таким образом, за время жизни компаунд-ядра привнесенная извне частицей a энергия успевает перераспределиться между нуклонами: за счет столкновений между ними. Составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», как оно образовалось. В связи с этим характер распада компаунд-ядра не зависит от способа его образования и, следовательно, одно и то же составное ядро может распадаться различными путями.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. В этой реакции для бомбардировки ядер азота использовались a-частицы, полученные при естественном радиоактивном распаде ядер:

.

В 1932 г. Д. Чедвиг открыл нейтрон, который образуется в следующей ядерной реакции:

.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, то им не нужно преодолевать кулоновский барьер отталкивания и, следовательно, пороговая энергия реакций с участием нейтронов понижается. Поэтому ядерные реакции, происходящие при бомбардировке ядер нейтронами, являются весьма эффективными.

Вероятность захвата нейтрона ядром возрастает по мере уменьшения скорости нейтронов. Это объясняется тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфере действия ядерных сил, протекая вблизи ядра. Зависимость вероятности захвата от скорости нейтронов описывается плавно изменяющейся функцией, однако, в тех случаях, когда энергия нейтрона равна энергии возбуждения ядра, вероятность его захвата резко возрастает (явление резонансного поглощения нейтронов).

Резонансное поглощение нейтронов наиболее распространенным изотопом урана приводит к цепочке радиоактивных превращений, в результате которых образуются трансурановые элементы и :

,

.