Розробка теорії ядерної реакції рік. Фізика атомного ядра

Теми кодифікатора ЄДІ : ядерні реакції, розподіл та синтез ядер.

У попередньому листку ми неодноразово говорили про розщеплення атомного ядрана складові. Але як цього досягти насправді? В результаті яких фізичних процесівможна розбити ядро?

Спостереження радіоактивного розпадуу змінюються зовнішніх умов- а саме, при різних тискахі температурах, в електричних та магнітних полях- показали, що швидкість радіоактивного розпаду цих умов не зависит. Жодних перетворень хімічних елементів один в одного всі ці фактори викликати не здатні. Очевидно, зміни енергії тут занадто малі, щоб вплинути на атомне ядро ​​– так вітер, що обдуває цегляний будинок, неспроможна його зруйнувати.

Але зруйнувати будинок можна артилерійським снарядом. І Резерфорд у 1919 році вирішив скористатися найпотужнішими «снарядами», які були тоді в розпорядженні. Це були частки, що вилітають з енергією близько 5 МеВ при радіоактивному розпаді урану. (Як ви пам'ятаєте, це ті самі снаряди, якими він вісім років тому бомбардував лист золотої фольги у своїх знаменитих дослідах, що породили планетарну модельатома.)

Щоправда, перетворень золота на інші хімічні елементиу тих експериментах не спостерігалося. Ядро золота саме по собі дуже міцне, та й до того ж містить багато протонів; вони створюють сильне кулонівське поле, що відштовхує частинку і не підпускає її занадто близько до ядра. Адже для розбивання ядра-снаряд повинен зблизитися з ядром настільки, щоб включилися ядерні сили! Що ж, якщо велика кількість протонів заважає – може взяти ядро ​​легше, де протонів мало?

Резерфорд бомбардував ядро ​​азоту і в результаті здійснив першу в історії фізики. ядерну реакцію:

(1)

У правій частині (1) ми бачимо продукти реакції- ізотоп кисню та протон.

Стало ясно, що для вивчення ядерних реакцій потрібно мати частинки-снаряди. високих енергій. Таку можливість надають прискорювачі елементарних частинок. Прискорювачі мають дві серйозні переваги перед природними «радіоактивними гарматами».

1. У прискорювачах можна розганяти будь-які заряджені частинки. Особливо це стосується протонів, які при природному розпадіядер не виникають. Протони хороші тим, що несуть мінімальний заряд, Отже - відчувають найменше кулонівське відштовхування з боку ядер-мішеней.

2. Прискорювачі дозволяють досягти енергій, які на кілька порядків перевищують енергію α-часток при радіоактивному розпаді. Наприклад, у Великому адронному колайдері протони розганяються до енергій у кілька ТЕВ; це в мільйон разів більше, ніж 5 МеВ у -часток реакції (1) , Здійсненої Резерфордом.

Так, за допомогою протонів, що пройшли через прискорювач, в 1932 вдалося розбити ядро ​​літію (отримавши при цьому дві-частки):

(2)

Ядерні реакціїдали можливість штучного перетворення хімічних елементів.

Крім того, у продуктах реакцій стали виявлятися нові, не відомі раніше частки. Наприклад, при опроміненні берилію-частинками того ж 1932 року було відкрито нейтрон:

(3)

Нейтрони чудово підходять для розколювання ядер: без електричного заряду, вони безперешкодно проникають всередину ядра. (При цьому прискорювати нейтрони не треба – повільні нейтрони легше проникають у ядра. Нейтрони, виявляється, потрібно навіть уповільнювати, і робиться це пропусканням нейтронів через звичайну воду.) Так, при опроміненні азоту нейтронами протікає наступна реакція:

(4)

Енергетичний вихід ядерної реакції

Обговорюючи енергію зв'язку, ми бачили, що в результаті ядерних процесів маса системи часток не залишається постійною. Це, своєю чергою, призводить до того, що кінетична енергія продуктів ядерної реакції відрізняється від кінетичної енергії вихідних частинок.

Насамперед нагадаємо, що повна енергія частинки маси складається з її енергії спокою та кінетичної енергії.

Нехай у результаті зіткнення частинок і відбувається ядерна реакція, продуктами якої служать частки і :

(5)

Повна енергія системи часток зберігається:

(6)

Кінетична енергія вихідних частинок дорівнює. Кінетична енергія продуктів реакції дорівнює. Енергетичний вихідядерної реакції - це різниця кінетичних енергій продуктів реакції та вихідних частинок:

З (6) легко отримуємо:

(7)

Якщо class="tex" alt="Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} з виділенням енергії більшекінетичної енергії вихідних частинок З (7) бачимо, що у разі сумарна маса продуктів реакції менше

Якщо ж, то реакція йде з поглинанням енергії: кінетична енергія продуктів реакції меншекінетичної енергії вихідних частинок Сумарна маса продуктів реакції у разі більшесумарної маси вихідних частинок.

Таким чином, терміни «виділення» та «поглинання» енергії не повинні викликати здивування: вони відносяться лише до кінетичноїенергії частинок. Повна енергія системи частинок, зрозуміло, у будь-якій реакції залишається незмінною.

1. За допомогою таблиці мас нейтральних атомів знаходимо і, виражені в а. е. м. (для знаходження маси ядра не забуваємо відняти від маси нейтрального атомамасу електронів).

2. Обчислюємо масу вихідних частинок, масу продуктів реакції та знаходимо різницю мас .

3. Множимо на і отримуємо величину, виражену в МеВ.

Ми зараз докладно розглянемо обчислення енергетичного виходу на двох прикладах бомбардування ядер літію: спочатку протонами, потім частинками.

У першому випадку маємо вже згадувану вище реакцію (2):

Маса атома літію дорівнює а. е. м. Маса електрона дорівнює а. е. м. Віднімаючи з маси атома масу трьох його електронів, отримуємо масу ядра літію :

А. е. м.

Маса протона дорівнює а. е. м., так що маса вихідних частинок:

А. е. м.

Переходимо до продуктів реакції. Маса атома гелію дорівнює а. е. м. Віднімаємо масу електронів і знаходимо масу ядра гелію :

А. е. м.

Помножуючи на , отримуємо масу продуктів реакції:

А. е. м.

Маса, як бачимо, зменшилася; це означає, що наша реакція йде із виділенням енергії. Різниця мас:

А. е. м.

Енергія, що виділилася:

МеВ.

Тепер розглянемо другий приклад. При бомбардуванні ядер літію-частинками відбувається реакція:

(8)

Маси вихідних ядер нам відомі; залишається порахувати їхню сумарну масу:

А. е. м.

З таблиці беремо масу атома бору (вона дорівнює а. е. м.); віднімаємо масу п'яти електронів і отримуємо масу ядра атома бору:

А. е. м.

Маса нейтрону дорівнює а. е. м. Знаходимо масу продуктів реакції:

А. е. м.

Цього разу маса збільшилася class="tex" alt="(m_2 > m_1)"> !}тобто реакція йде з поглинанням енергії.

Різниця мас дорівнює:

А. е. м.

Енергетичний вихід реакції:

МеВ.

Таким чином, реакції (8) поглинається енергія МеВ. Це означає, що сумарна кінетична енергія продуктів реакції (ядра бору та нейтрону) на МеВ менша, ніж сумарна кінетична енергія вихідних частинок (ядра літію та -частинки). Тому, щоб дана реакція в принципі здійснилася, енергія вихідних частинок повинна бути не меншою за МеВ.

Поділ ядер

Бомбардуючи ядра урану повільними нейтронами, німецькі фізики Ган і Штрассман виявили появу елементів середньої частини. періодичної системи: барію, криптону, стронцію, рубідії, цезію і т. д. Так було відкрито розподіл ядерурану.

На рис. 1 ми бачимо процес розподілу ядра (зображення із сайту oup.co.uk.). Захоплюючи нейтрон, ядро ​​урану поділяється на два уламка, і при цьому звільняються два-три нейтрони.

Мал. 1. Розподіл ядра урану

Уламки є ядрами радіоактивних ізотопівелементів середини таблиці Менделєєва Зазвичай один з уламків більше за інший. Наприклад, при бомбардуванні урану можуть зустрічатися такі комбінації уламків (як кажуть, реакція йде за наступними каналам).

Барій та криптон:

Цезій та рубідій:

Ксенон та стронцій:

У кожній із цих реакцій виділяється дуже велика енергія - порядку МеВ. Порівняйте цю величину зі знайденим вище енергетичним виходомреакції (2) , рівним МеВ! Звідки береться така кількість енергії?

Почнемо з того, що через великої кількостіпротонів (штуки), упакованих у ядрі урану, кулонівські сили відштовхування, що розпирають ядро, дуже великі. Ядерні сили, звичайно, ще спроможні утримувати ядро ​​від розпаду, але могутній кулоновський фактор готовий сказати своє слово будь-якої миті. І такий момент настає, коли в ядрі застряє нейтрон (рис. 2 – зображення із сайту investingreenenergy.com).

Мал. 2. Деформація, коливання та розрив ядра

Застряглий нейтрон викликає деформацію ядра. Почнуться коливання форми ядра, які можуть стати такими інтенсивними, що ядро ​​витягнеться в «гантельку». Короткодіючі ядерні сили, що скріплюють невелику кількість сусідніх нуклонів перешийка, не впораються з силами електричного відштовхування половинок гантельки, і в результаті ядро ​​розірветься.

Уламки розлетяться з величезною швидкістю – близько швидкості світла. Вони й забирають більшу частинуенергії, що вивільняється (близько МеВ з ).

Розподіл важких ядер можна витлумачити з погляду вже відомого нам графіка залежності питомої енергіїзв'язку ядра від його масового числа (рис. 3).

Мал. 3. Розподіл важких ядер енергетично вигідно

Кольором виділена область, в якій питома енергія зв'язку досягає найбільшого значенняМеВ/нуклон. Це область найстійкіших ядер. Праворуч від цієї області питома енергія зв'язку плавно зменшується до МеВ/нуклон у ядра урану.

Процес перетворення менш стійких ядер на більш стійкі є енергетично вигідним і супроводжується виділенням енергії. При розподілі ядра урану, як бачимо, питома енергія зв'язку підвищується приблизно МеВ/нуклон; ця енергія таки виділяється у процесі поділу. Помноживши це число нуклонів в ядрі урану, отримаємо приблизно ті самі МеВ енергетичного виходу, про які йшлося вище.

Ланцюгова ядерна реакція

Поява двох-трьох нейтронів у процесі поділу ядра урану. найважливіший факт. Ці нейтрони «першого покоління» можуть потрапити до нових ядр і викликати їх поділ; в результаті розподілу нових ядер виникнуть нейтрони «другого покоління», які потраплять у наступні ядра та викличуть їх розподіл; виникнуть нейтрони «третього покоління», які призведуть до поділу чергових ядер тощо. Так йдеться ланцюгова ядерна реакція, під час якої вивільняється колосальна кількість енергії.

Для протікання ланцюгової ядерної реакції необхідно, щоб число нейтронів, що вивільнилися, в черговому поколінні було не менше числанейтронів у попередньому поколінні. Величина

називається коефіцієнтом розмноження нейтронів. Таким чином, ланцюгова реакціяйде за умови class="tex" alt="k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}

У випадку class="tex" alt="k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} некерованою. Так відбувається вибух атомної бомби.

У ядерних реакторах відбувається керованаланцюгова реакція поділу з коефіцієнтом розмноження. Стаціонарний перебіг керованої ланцюгової реакції забезпечується введенням в активну зону реактора (тобто в ту область, де протікає реакція) спеціальних стрижнів, що поглинають нейтрони. При повністю введених стрижнях поглинання ними нейтронів настільки велике, що реакція не йде. У процесі запуску реактора стрижні поступово виводять з активної зони, поки потужність, що виділяється, не досягне необхідного рівня. Цей рівень ретельно контролюється, і при його перевищенні включаються пристрої, що вводять стрижні, що управляють, назад в активну зону.

Термоядерна реакція

Поряд з реакцією поділу важких ядер енергетично можливим виявляється і зворотний у певному сенсі процес. синтез легких ядертобто злиття ядер легких елементів (розташованих на початку періодичної таблиці) з утворенням більш важкого ядра.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно зблизити впритул - щоб набули чинності ядерні сили. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, що різко зростає із зменшенням відстані між ними. Це можливо лише за дуже великої кінетичної енергії ядер, отже - за дуже високої температури (десятки і сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу називається термоядерною реакцією.

В якості прикладу термоядерної реакціїнаведемо реакцію злиття ядер дейтерію і тритію (важкого та надважкого ізотопів водню), в результаті якої утворюється ядро ​​гелію та нейтрон:

(9)

Ця реакція йде з виділенням енергії, що дорівнює МеВ (спробуйте самі провести розрахунки та отримати цю величину). Це дуже багато, якщо врахувати, що в реакції беруть участь нуклони! Справді, у розрахунку однією нуклон в реакції (9) виділяється енергія приблизно МеВ, тоді як із розподілі ядра урану виділяється «всього» МеВ на нуклон.

Таким чином, термоядерні реакції служать джерелом ще більшої кількостіенергії, ніж реакції розподілу ядер. З фізичної точки зору це зрозуміло: енергія реакції ядерного поділу є в основному кінетична енергія уламків, розігнаних електричнимисилами відштовхування, а при ядерному синтезіенергія вивільняється в результаті розгону нуклонів назустріч один одному під дією значно потужніших ядернихсил тяжіння.

Простіше кажучи, при розподілі ядер вивільняється енергія електричної взаємодіїа при синтезі ядер - енергія сильної (ядерної) взаємодії.

У надрах зірок досягаються температури, які підходять для синтезу ядер. Світло Сонця та далеких зірокнесе енергію, що виділяється в термоядерних реакціях - при злитті ядер водню в ядра гелію і подальшому злитті ядер гелію в ядра більш важких елементів, розташованих у середній частині періодичної системи. Напрям термоядерного синтезупоказано на рис. 4; синтез легких ядер енергетично вигідний, оскільки спрямований у бік збільшення питомої енергії зв'язку ядра.

Мал. 4. Синтез легких ядер енергетично вигідний

Некерована термоядерна реакція здійснюється під час вибуху водневої бомби. Спочатку вибухає вбудована атомна бомба- це потрібно для створення високої температури на першому ступені термоядерного вибуху. При досягненні необхідної температури в термоядерному паливі бомби починаються реакції синтезу, і відбувається вибух власне водневої бомби.

Здійснення керованої термоядерної реакції залишається поки невирішеною проблемою, над якою фізики працюють вже понад півстоліття. Якщо вдасться досягти керованого перебігу термоядерного синтезу, то людство отримає у своє розпорядження практично необмежене джерело енергії. Це надзвичайно важливе завдання, що стоїть перед нинішнім та майбутнім поколінням - у світлі загрозливої ​​перспективи виснаження нафтогазових ресурсів нашої планети.

Згадаймо коротко, що ми вже знаємо про атом:

• ядро атома має надзвичайно велику щільністьпри дуже малому розмірі (щодо самого атома);
• в ядрі знаходяться протони та нейтрони;
• електрони знаходяться поза ядром на енергетичних рівнях;
• протони мають позитивний заряд, Електрони - негативні, а нейтрони - не мають заряду. У цілому нині атом нейтральний, т.к. має рівне числопротонів та електронів;
• кількість нейтронів, що у кожному атомі однієї й тієї ж елемента, може бути різним. Атоми, що мають однаковий зарядядра, але різна кількість нейтронів, називаються ізотопами.

У періодичній таблиці хімічний елемент "кисень" позначається так:

• 16 - масове число (сума протонів та нейтронів);
• 8 - порядковий (атомний) номер елемента (кількість протонів у ядрі атома);
• Про- Позначення елемента.

1. Радіоактивність

Мимовільне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, при якому відбувається випромінювання елементарних частинок, називається радіоактивністю.

Якщо нам відома одна з частинок, що вийшла при розпаді, то можна обчислити і іншу частинку, оскільки під час ядреної реакції дотримується так званий баланс мас ядерної реакції.

Суть ядерної реакції схематично можна виразити так:

Реагенти, які входять у реакцію → Продукти, отримані внаслідок реакції

Ядерна реакція вважається збалансованою, якщо сума атомних номерів елементів у лівій частині виразу дорівнюватиме сумі атомних номерів елементів, отриманих після реакції. Це ж умова має дотримуватися і сум масових чисел. Припустимо, що відбувається ядерна реакція: ізотоп хлору (хлор-35) бомбардується нейтроном з утворенням ізотопу водню (водень-1):

35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 Х + 1 1 H

Який Х-елемент перебуватиме у правій частині рівняння реакції?

Виходячи з балансу мас ядерної реакції, атомний номер невідомого елементадорівнюватиме 16. Періодичної таблиціпід цим номером знаходиться елемент сірки (S). Т.ч., можна сказати, що в результаті нашої ядерної реакції при бомбардуванні ізотопу хлору (хлор-35) нейтроном виходить ізотоп водню (водень-1) та ізотоп сірки (сірка-35). Цей процес називають ще ядерним перетворенням.

35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H

За допомогою подібних ядерних перетворень вчені навчилися отримувати штучні ізотопи, які не зустрічаються у природі.

2. Чому ізотопи розпадаються?

У ядрі атома знаходяться протони (позитивно заряджені частинки), які сконцентровані у дуже малому просторі. Раніше ми говорили, що в ядрі атома діють якісь утримуючі сили (так званий "ядерний клей"), які не дають однойменно зарядженим нейтронам розірвати ядро ​​атома. Але іноді енергія відштовхування частинок перевершує енергію склеювання, і ядро ​​розколюється на частини – відбувається радіоактивний розпад.

Вчені встановили, що всі хімічні елементи, в ядрі яких понад 84 протони (під цим порядковим номеромв таблиці знаходиться полоній - Ро), є нестабільними і іноді піддаються радіоактивному розпаду. Однак існують ізотопи, в ядрі яких менше 84 протонів, але вони також є радіоактивними. Справа в тому, що про стабільність ізотопу можна судити щодо кількості протонів і нейтронів атома. Ізотоп буде нестабільний, якщо різниця між кількістю протонів та нейтронів велика (багато протонів і мало нейтронів, або мало протонів та багато нейтронів). Ізотоп елемента буде стійким, якщо кількість нейтронів та протонів у його атомі приблизно дорівнює.

Тому, нестійкі ізотопи, зазнаючи радіоактивного розпаду, перетворюються на інші елементи. Процес перетворення буде йти доти, доки не утвориться стійкий ізотоп.

3. Період напіврозпаду

Коли відбувається радіоактивний розпад атома нестійкого елемента? Це може статися будь-якої миті: через пару миттєвостей, або через 100 років. Але, якщо вибірка атомів по певному елементудосить велика, можна вивести певну закономірність.

Нижче в таблиці наведено дані періоду напіврозпаду для деяких радіоактивних ізотопів

Період напіврозпаду необхідно знати для того, щоб визначити час, коли радіоактивний елементстане безпечним - це станеться, коли його радіоактивність впаде настільки, що її не можна буде виявити, тобто через 10 періодів напіврозпаду.

4. Ланцюгова ядерна реакція

У 30-х роках минулого сторіччя вчені почали намагатися керувати ядерними реакціями. Внаслідок бомбардування (зазвичай нейтроном) ядро ​​атома важкого елементаділиться на два легші ядра. Наприклад:

235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n

Такий процес називається розщепленням (поділом) ядра. Внаслідок цього вивільняється колосальна кількість енергії. Звідки вона береться? Якщо дуже точно виміряти маси частинок до реакції після неї, то виявиться, що в результаті ядерної реакції частина маси безслідно зникла. Таку втрату маси заведено називати дефектом маси. Зникла речовина перетворюється на енергію.

Великий Альберт Ейнштейн вивів свою знамениту формулу: E = mc 2, де

Е- кількість енергії;
m- Дефект маси (зникла маса речовини);
з- швидкість світла = 300 000 км/с

Оскільки швидкість світла є дуже великою величиною самої по собі, а у формулі вона зводиться в квадрат, то навіть мізерно мале "зникнення маси" призводить до вивільнення достатньо великої кількостіенергії.

З наведеного вище рівняння розщеплення урану-235 видно, що у процесі розподілу ядра витрачається один електрон, а виходить відразу три. У свою чергу, ці три, знову отримані електрони, зустрівши на "своєму шляху" три ядра урану-235, зроблять чергове розщеплення, в результаті чого вийде вже 9 нейтронів і т.д. Такий каскад розщеплень, що безперервно наростає, називається ланцюговою реакцією.

Ланцюгова реакція можлива лише з тими ізотопами, при розщепленні яких створюється надлишок нейтронів. Так ланцюгова реакція із ізотопом урану (уран-238) неможлива, т.к. вивільниться лише один нейтрон:

238 92 U + 10 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n

Для ядерних реакцій використовують ізотопи урану (уран-235) та плутону (плутон-239). Щоб ядерна реакція змогла протікати самостійно, потрібно певну кількістьречовини, що розщеплюється, зване критичною масою . В іншому випадку кількість надлишкових нейтронів буде недостатньою для здійснення ядерної реакції. Маса речовини, що розщеплюється, менше критичної називається субкритичної.

Ядерна реакція – це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками(у тому числі і з γ-квантами) або один з одним. Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція, що записується символічно таким чином:

де Xі Y– вихідні та кінцеві ядра, аі b- Частка, що бомбардує і випускається (або випускаються) в ядерній реакції.

У ядерній фізиці ефективність взаємодії характеризують ефективним перетином σ. З кожним видом взаємодії частинки з ядром пов'язують свій ефективний переріз: ефективний переріз розсіювання ;ефективний переріз поглинання .

Ефективний переріз ядерної реакції σ знаходиться за формулою:

,

(9.5.1)

де N- Число частинок, що падають за одиницю часу на одиницю площі поперечного перерізуречовини, що має в одиниці об'єму nядер; d N- Число цих частинок, що вступають в реакцію в шарі товщиною d x. Ефективний переріз має розмірність площі і характеризує ймовірність того, що при падінні пучка частинок на речовину відбудеться реакція.

Одиниця виміру ефективного перерізу ядерних процесів – барн (1 барн = 10 -28 м 2).

У будь-якій ядерній реакції виконуються закони збереження електричних зарядів і масових чисел : сума зарядів(і сума масових чисел) ядер та частинок, вступників у реакцію, що дорівнює сумі зарядів(і сумі масових чисел) кінцевих продуктів (ядер та частинок) реакції. Виконуютьсятакож закони збереження енергії , імпульсу і моменту імпульсу .

На відміну від радіоактивного розпаду, який завжди протікає з виділенням енергії, ядерні реакції можуть бути як екзотермічні (з виділенням енергії), так і ендотермічні (З поглинанням енергії).

Найважливішу роль поясненні механізму багатьох ядерних реакцій зіграло припущення М. Бора (1936 р.) у тому, що ядерні реакції протікають у дві стадії за наступною схемою:

Перша стадія – це захоплення ядром Xчастинки a, що наблизилася до нього на відстань дії ядерних сил(приблизно ), та освіта проміжного ядра З, званого складовим (або компаунд-ядром) Енергія частки, що влетіла в ядро, швидко розподіляється між нуклонами складеного ядра, в результаті чого воно виявляється в збудженому стані. При зіткненні нуклонів складеного ядра один з нуклонів (або їх комбінація, наприклад дейтрон) або α - частка може отримати енергію, достатню для вильоту з ядра. В результаті настає друга стадія ядерної реакції - Розпад складеного ядра на ядро Yта частинку b.

У ядерній фізиці вводиться характерне ядерний час – час,необхідне для прольоту часткою відстані порядку величини рівної діаметруядра(). Так частки з енергією 1 МеВ (що відповідає її швидкості 10 7 м/с) характерний ядерний час .З іншого боку, доведено, що життя складеного ядра 10 –16 – 10 –12 з, тобто. складає (106 - 1010)τ. Це означає, що протягом життя складеного ядра може статися дуже багато зіткнень нуклонів між собою, тобто. перерозподіл енергії між нуклонами справді можливий. Отже, складове ядро ​​живе настільки довго, що повністю «забуває», як воно утворилося. Тому характер розпаду складового ядра (частки, що ним випускаються) b) - друга стадія ядерної реакції - не залежить від способу утворення складеного ядра, першої стадії.

Якщо випущена частка тотожна із захопленою (), то схема (4.5.2) визначає розсіювання частки: пружне – при ; непружне - при . Якщо ж випущена частка не тотожна із захопленою (), то маємо схожість з ядерною реакцією в прямому значенніслова.

Деякі реакції протікають без утворення складеного ядра, вони називаються прямими ядерними взаємодіями(наприклад реакції, викликані швидкими нуклонами та дейтронами).

Ядерні реакції класифікуються за наступними ознаками :

· За родом що у них частинок – реакції під впливом нейтронів; реакції під дією заряджених частинок (наприклад протонів, дейтронів, α-часток); реакції під дією γ-квантів;

· По енергії частинок, що їх викликають - реакції при малих енергіях (порядку електронвольтів), що відбуваються в основному за участю нейтронів; реакції при середніх енергіях (порядку до декількох МеВ), що відбуваються за участю γ-квантів та заряджених частинок (протони, α-частки); реакції, що відбуваються при високих енергіях (сотні та тисячі МеВ), що призводять до появи відсутніх у вільному стані елементарних частинок та мають велике значенняїх вивчення;

· За родом ядер, що беруть у них, – реакції на легких ядрах (А< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);

· За характером ядерних перетворень, що відбуваються - реакції з випромінюванням нейтронів; реакції з випромінюванням заряджених частинок; реакції захоплення (у цих реакціях складове ядро ​​не випромінює жодних частинок, а перехід в основний стан, випромінюванні одного або декількох γ-квантів).

Для перегляду демонстрацій клацніть на відповідному гіперпосиланні:

· Ізомерний перехід

Ядерна реакція- процес утворення нових ядер чи частинок при зіткненнях ядер чи частинок. Вперше ядерну реакцію спостерігав Резерфорд в 1919 році, бомбардуючи α-частинками ядра атомів азоту, вона була зафіксована за появою вторинних іонізуючих частинок, що мають пробіг у газі більше пробігу α-часток та ідентифікованих як протони. Згодом камерою Вільсона були отримані фотографії цього процесу.

За механізмом взаємодії ядерні реакції поділяються на два види:

• Реакції з утворенням складеного ядра, це двостадійний процес, що протікає при невеликій кінетичній енергії зіштовхуються частинок (приблизно до 10 МеВ).
• прямі ядерні реакції, що проходять за ядерний час, необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро. Головним чином такий механізм проявляється при великих енергіях частинок, що бомбардують.

Якщо після зіткнення зберігаються вихідні ядра та частки і не народжуються нові, то реакція є пружним розсіюванням у полі ядерних сил, що супроводжується лише перерозподілом кінетичної енергії та імпульсу частки та ядра-мішені та називається потенційним розсіюванням .

Механізми ядерної реакції

Складове ядро

Теорія механізму реакції з утворенням складового ядра була розроблена Нільсом Бором в 1936 спільно з теорією краплинної моделі ядра і лежить в основі сучасних уявленьпро велику частину ядерних реакцій.

Відповідно до цієї теорії ядерна реакція йде у два етапи. Спочатку вихідні частинки утворюють проміжне (складове) ядро ​​за ядерний час, тобто час, необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро, приблизно рівне 10 −23 - 10 −21 . При цьому складове ядро ​​завжди утворюється в збудженому стані, так як воно має надлишкову енергію, що привносить часткою в ядро ​​у вигляді енергії зв'язку нуклону в складовому ядрі і частини його кінетичної енергії, яка дорівнює сумі кінетичної енергії ядра-мішені з масовим числом і частинки в системі центру інерції.

Енергія збудження

Енергія збудження складового ядра, що утворився при поглинанні вільного нуклону, дорівнює сумі енергії зв'язку нуклону та частини його кінетичної енергії:

Найчастіше внаслідок великої різниці в масах ядра і нуклону приблизно дорівнює кінетичній енергії нуклону, що бомбардує ядро.

У середньому енергія зв'язку дорівнює 8 МеВ, змінюючись залежно від особливостей складового ядра, що утворюється, проте для даних ядра-мішені і нуклону ця величина є константою. Кінетична ж енергія бомбардуючої частинки може бути будь-якої, наприклад, при збудженні ядерних реакцій нейтронами, потенціал яких не має кулонівського бар'єру, значення може бути близьким до нуля. Таким чином, енергія зв'язку є мінімальною енергією збудження складеного ядра.

Канали реакцій

Перехід у незбуджений стан може здійснюватися різними шляхами, які називаються каналами реакції. Типи і квантовий стан частинок, що налітають, і ядер до початку реакції визначають вхідний каналреакції. Після завершення реакції сукупність утворених продуктів реакціїта їх квантових станів визначає вихідний каналреакції. Реакція повністю характеризується вхідним та вихідним каналами.

Канали реакції не залежать від способу утворення складеного ядра, що може бути пояснено великим часом життя складеного ядра, воно як би «забуває», яким способом утворилося, отже, освіта та розпад складеного ядра можна розглядати як незалежні події. Наприклад, може утворитися як складове ядро ​​у збудженому стані в одній з наступних реакцій:

Згодом, за умови однакової енергії збудження, це складове ядро ​​може розпастися шляхом, зворотним будь-якої з цих реакцій, з певною ймовірністю, яка не залежить від історії виникнення цього ядра. Імовірність утворення складового ядра залежить від енергії і від сорту ядра-мішені.

Прямі ядерні реакції

Перебіг ядерних реакцій можливий і через механізм прямої взаємодії, в основному такий механізм проявляється при дуже великих енергіях бомбардуючих частинок, коли нуклони ядра можна розглядати як вільні. Від механізму складового ядра прямі реакції відрізняються, перш за все, розподілом векторів імпульсів частинок-продуктів щодо імпульсу частинок, що бомбардують. На відміну від сферичної симетрії механізму складового ядра для прямої взаємодії характерний переважний напрямок польоту продуктів реакції вперед щодо напрямку руху частинок, що налітають. Розподіли за енергіями частинок-продуктів у випадках також різні. Для прямої взаємодії характерний надлишок частинок із високою енергією. При зіткненнях із ядрами складних частинок(тобто інших ядер) можливі процеси передачі нуклонів від ядра до ядра чи обмін нуклонами. Такі реакції відбуваються без утворення складеного ядра і їм притаманні всі особливості прямої взаємодії.

Перетин ядерної реакції

Імовірність реакції визначається так званим ядерним перерізом реакції. У лабораторній системі відліку (де ядро-мішень спочиває) можливість взаємодії в одиницю часу дорівнює добутку перерізу (вираженого в одиницях площі) на потік часток, що падають (виражений у кількості частинок, що перетинають за одиницю часу одиничний майданчик). Якщо одного вхідного каналу можуть здійснюватися кілька вихідних каналів, то відносини ймовірностей вихідних каналів реакції дорівнює відношенню їх перерізів. У ядерній фізиці перерізи реакцій зазвичай виражаються у спеціальних одиницях - барнах , рівних 10 -24 см ².

Вихід реакції

Число випадків реакції, віднесене до бомбардували мішень частинок , називається виходом ядерної реакції. Ця величина визначається досвіді при кількісних вимірах. Оскільки вихід безпосередньо пов'язаний з перерізом реакції, вимір по суті є вимірюванням перерізу реакції .

Закони збереження в ядерних реакціях

При ядерних реакціях виконуються закони збереження класичної фізики. Ці закони накладають обмеження можливість здійснення ядерної реакції. Навіть енергетично вигідний процес завжди виявляється неможливим, якщо супроводжується порушенням будь-якого закону збереження. Крім того, існують закони збереження, специфічні для мікросвіту; деякі з них виконуються завжди, наскільки це відомо (закон збереження баріонного числа, лептонного числа); інші закони збереження (ізоспину, парності, дивацтва) лише пригнічують певні реакції, оскільки не виконуються для деяких з фундаментальних взаємодій. Наслідками законів збереження є звані правила відбору , що вказують можливість чи заборона тих чи інших реакцій.

Закон збереження енергії

Якщо , , , - повні енергії двох частинок до реакції та після реакції, то на підставі закону збереження енергії:

При утворенні більше двох частинок відповідно кількість доданків у правій частині цього виразу має бути більшою. Повна енергія частки дорівнює її енергії спокою Mc 2 та кінетичної енергії Eтому:

Різниця сумарних кінетичних енергій частинок на «виході» та «вході» реакції Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) називається енергією реакції(або енергетичним виходом реакції). Вона задовольняє умову:

Множник 1/ c 2 зазвичай опускають, при підрахунку енергетичного балансу виражаючи маси частинок в енергетичних одиницях (або іноді енергії в масових одиницях).

Якщо Q> 0, то реакція супроводжується виділенням вільної енергії та називається екзоенергетичної , якщо Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется ендоенергетичної .

Легко помітити, що Q> 0 тоді, коли сума мас часток-продуктів менше сумимас вихідних частинок, тобто виділення вільної енергії можливе лише рахунок зниження мас реагуючих частинок. І навпаки, якщо сума мас вторинних частинок перевищує суму вихідних мас, то така реакція можлива лише за умови витрати якоїсь кількості кінетичної енергії на збільшення енергії спокою, тобто мас нових частинок. Мінімальне значеннякінетичної енергії налітає частки, при якій можлива ендоенергетична реакція, називається пороговий енергією реакції. Ендоенергетичні реакції називають також пороговими реакціямиоскільки вони не відбуваються при енергіях частинок нижче порога.

Закон збереження імпульсу

Повний імпульс частинок до реакції дорівнює повному імпульсу частинок продуктів реакції. Якщо , , , - вектори імпульсів двох частинок до реакції та після реакції, то

Кожен вектор може бути незалежно виміряний на досвіді, наприклад, магнітним спектрометром . Експериментальні дані свідчать, закон збереження імпульсу справедливий як із ядерних реакціях, і у процесах розсіювання мікрочастинок.

Закон збереження моменту імпульсу

Ядерна реакція синтезу

Ядерна реакція синтезу- процес злиття двох атомних ядер із заснуванням нового, важчого ядра.

Крім нового ядра, в ході реакції синтезу, як правило, утворюються різні елементарні частинки і (або) кванти електромагнітного випромінювання.

Без підведення зовнішньої енергії злиття ядер неможливе, оскільки позитивно заряджені ядра відчувають сили електростатичного відштовхування – це так званий «Кулонівський бар'єр». Для синтезу ядер необхідно зблизити їх на відстань близько 10 -15 м, на якому дія сильної взаємодії перевищуватиме сили електростатичного відштовхування. Це можливо у випадку, якщо кінетична енергія ядер, що зближуються, перевищує кулоновський бар'єр.

Такі умови можуть скластися у двох випадках:

• Якщо речовина нагрівається до надзвичайно високих температуру зірці або термоядерному реакторі. Згідно з кінетичною теорією , кінетичну енергіюрухомих мікрочастинок речовини (атомів, молекул або іонів) можна подати у вигляді температури, а, отже, нагріваючи речовину, можна досягти ядерної реакції синтезу. У такому разі говорять про термоядерний синтез або термоядерну реакцію.

Термоядерна реакція

Термоядерна реакція- Злиття двох атомних ядер з утворенням нового, більш важкого ядра, за рахунок кінетичної енергії їхнього теплового руху.

Для ядерної реакції синтезу вихідні ядра повинні мати відносно велику кінетичну енергію, оскільки вони зазнають електростатичного відштовхування, оскільки однойменно позитивно заряджені.

Насамперед, у тому числі слід відзначити реакцію між двома ізотопами (дейтерій і тритій) дуже поширеного Землі водню, у результаті якої утворюється гелій і виділяється нейтрон. Реакція може бути записана у вигляді:

+ Енергія (17,6 МеВ).

Виділена енергія (що виникає через те, що гелій-4 має дуже сильні ядерні зв'язки) переходить у кінетичну енергію, більшу частину з якої, 14,1 МеВ, забирає з собою нейтрон як більше легка частка. Ядро, що утворилося, міцно пов'язане, тому реакція так сильно екзоенергетична. Ця реакція характеризується нижчим кулонівським бар'єром і великим виходом, тому вона представляє особливий інтересдля керованого термоядерного синтезу.

Фотоядерна реакція

При поглинанні гамма-кванту ядро ​​отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро ​​з надлишком енергії є складовим ядром. Як і інші ядерні реакції, поглинання ядром гамма-кванту можливе лише при виконанні необхідних енергетичних та спинових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевищує енергію зв'язку нуклону в ядрі, то розпад складеного ядра, що утворився, відбувається найчастіше з випусканням нуклонів, в основному, нейтронів . Такий розпад веде до ядерних реакцій і , які називаються фотоядерними, А явище випромінювання нуклонів у цих реакціях - ядерним фотоефектом.

Інші

Запис ядерних реакцій

Ядерні реакції записуються у вигляді спеціальних формул, у яких зустрічаються позначення атомних ядер та елементарних частинок.

Перший спосібнаписання формул ядерних реакцій аналогічний запису формул хімічних реакцій , тобто зліва записується сума вихідних частинок, справа - сума частинок (продуктів реакції), що вийшли, а між ними ставиться стрілка.

Так, реакція радіаційного захоплення нейтрона ядром кадмію-113 записується так:

Ми, що число протонів і нейтронів праворуч і ліворуч залишається однаковим (баріонне число зберігається). Це ж стосується електричним зарядам, лептонним числам та іншим величинам (енергія, імпульс, момент імпульсу, …). У деяких реакціях, де бере участь слабка взаємодія, протони можуть перетворюватися на нейтрони і навпаки, проте їх сумарне число не змінюється.

Другий спосібзаписи, більш зручний для ядерної фізики, має вигляд A (a, bcd ...) B, де А- ядро ​​мішені, а- Бомбардуюча частка (у тому числі ядро), b, с, d, …- Частки, що випускаються (у тому числі ядра), У- Залишкове ядро. У дужках записуються легші продукти реакції, поза - важчі. Так, вищенаведена реакція захоплення нейтрону може бути записана у такому вигляді.

При низьких (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 МеВ) енергії. Розмежовують р-ції на легких ядрах (ядра мішені А< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Я дерна може відбутися, якщо дві беруть участь у ній частинки зближуються на відстань, менше діаметра ядра (бл. 10 -13 см), тобто на відстань, при якому діють сили внутрішньоядерного взаємод. між складовими ядра нуклонами. Якщо обидві що у ядерної частки - і бомбардующая, і ядро ​​мішені - заряджені позитивно, то зближенню частинок перешкоджає сила відштовхування двох покладе. зарядів, і бомбардуюча частка повинна подолати т.зв. кулонівський потенційний бар'єр. Висота цього бар'єру залежить від заряду частки, що бомбардує, і заряду ядра мішені. Для ядер, відповідальних із порівн. значеннями і бомбардуючих частинок із зарядом +1, висота бар'єру становить бл. 10 МеВ. У разі, якщо в ядерній беруть участь частинки, що не володіють зарядом (), кулоновський потенційний бар'єр відсутній, і ядерні можуть протікати за участю частинок, що мають теплову енергію(Тобто енергію, що відповідає тепловим коливанням).
Обговорюється можливість протікання ядерних не внаслідок бомбардування ядер мішені налітаючими частинками, а за рахунок надсильного зближення ядер (тобто зближення на відстані, порівняні з діаметром ядра), що знаходяться в твердій або на пов-сті (напр., за участю ядер , розчиненого в); поки що (1995) надійних даних про здійснення таких ядерних ("холодного термоядерного синтезу") немає.
Я дерні підкоряються тим самим загальним законам природи, як і звичайні хім. р-ції (та енергії, збереження заряду, імпульсу). Крім того, при протіканні ядерних діють і деякі специфічні. закони, які у хім. р-ціях, напр., Закон збереження баріонного заряду (баріони - важкі).
Записувати ядерні можна так, як це показано на прикладі перетворення ядер Рu в ядра Кu при опроміненні плутонієвої мішені ядрами:

З цього запису видно, що суми зарядів ліворуч і праворуч (94 + 10 = 104) та суми (242 + 22 = 259 + 5) рівні між собою. символ хім. елемента однозначно свідчить про його ат. номер (заряд ядра), то при записі ядерних значення заряду часток зазвичай не вказують. Найчастіше ядерні записують коротше. Так, ядерну освіту 14 З при опроміненні ядер 14 N записують слід. чином: 14 N(n, р) 14°С.
У дужках вказують спочатку бомбардуючу частинку або квант, потім, через кому, утворюються легкі частинки або квант. Відповідно до такого способу записи розрізняють (n, р), (d, р), (п, 2п) та ін..
При зіткненні одних і тих же ядерних частинок можуть йти разл. методами. При опроміненні алюмінієвої мішені можуть протікати слід. ядерні : 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na і ін. Сукупність частинок, що зіштовхуються, зв. вхідним каналом ядерної , а частинки, що народжуються в результаті ядерної , утворюють вихідний канал.
Я дерні можуть протікати з виділенням та поглинанням енергії Q. Якщо в загальному виглядізаписати ядерну як А(a, b)В, то для такої ядерна енергіядорівнює: Q = [(М А + М а) - (М + М b)] x з 2 , де М -маси що беруть участь в ядерній частинок; с – швидкість світла. На практиці зручніше користуватися значеннями дельтаМ (див. ), тоді вираз для обчислення Q має вигляд: причому з міркування зручності зазвичай виражають у кілоелектронвольтах (кеВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кеВ = 1,492443 х 107 кДж).
Зміна енергії, яким супроводжується ядерна, може в 10 6 разів і більше перевищувати енергію, що виділяється або поглинається при хім. р-ціях. Тому при ядерній стає помітною зміна мас взаємодіючих ядер: енергія, що виділяється або поглинається, дорівнює різниці сум мас частинок до і після ядерної. Можливість виділення величезних кіл-в енергії при здійсненні ядерних лежить в основі ядерної (див. ). Дослідження співвідношень між енергіями частинок, що беруть участь у ядерних, а також співвідношень між кутами, під якими відбувається розліт частинок, що утворюються, становить розділ ядерної фізики- Кінематику ядерних р-цій.

Виходи ядернихт. е. відношення числа ядерних до частинок, що впали на одиницю площі (1 см 2) мішені, зазвичай не перевищують 10 -6 -10 -3 . Для тонких мішеней (спрощено тонкою можна назвати мішень, при проходженні через к-рую потік бомбардуючих частинок помітно не слабшає) вихід ядерної пропорційний числу частинок, що потрапляють на 1 см 2 пов-сті мішені, числу ядер, що містяться в 1 см 2 мішені, а також значення ефективного перерізу ядерної. Навіть при використанні такого потужного джереланалітаючих частинок, яким є ядерний реактор, Протягом 1 год вдається, як правило, отримати при здійсненні ядерних під дією не більше дек. мг, що містять нові ядра. Зазвичай маса в-ва, отриманого у тому чи іншого ядерної , значно менше.

Бомбардуючі частинки.Для здійснення ядерних використовують n, р, дейтрони d, тритони t, частинки, важкі (12 С, 22 Ne, 40 Аr та ін), е ікванти. Джерелами (див. )при проведенні ядерних служать: суміші металлич. Be та відповідного випромінювача, напр. 226 Ra (т. зв. ампульні джерела), нейтронні генератори, ядерні реактори. Т. до. в більшості випадків ядерних вище з малими енергіями (теплові), то перед тим, як направити потік на мішень, їх зазвичай уповільнюють, використовуючи , та ін матеріали. У разі повільних осн. процес майже всім ядер - радіаційне захоплення - ядерна типу оскільки кулоновский бар'єр ядра перешкоджає вильоту ічастинок. Під дією протікають ланцюгові р-ції.
У разі використання як бомбардуючих частинок, дейтронів та ін, що несуть покладе. заряд, що бомбардує частинку прискорюють до високих енергій (від десятків МеВ до сотень ГеВ), використовуючи разл. прискорювачі. Це необхідно для того, щоб заряджена частка могла подолати кулоновський потенційний бар'єр і потрапити в ядро, що опромінюється. При опроміненні мішеней позитивно зарядженими частинками наиб. виходи ядерних досягаються під час використання дейтронів. Пов'язано це про те, що енергія зв'язку й у дейтроні щодо мала, і соотв., велика відстань між і .
При використанні як бомбардуючих частинок дейтронів в ядро, що опромінюється, часто проникає тільки один нуклон - або , другий нуклон ядра дейтрону летить далі, зазвичай в тому ж напрямку, що і налітаючий дейтрон. Високі ефективні перерізи можуть досягатися при проведенні ядерних між дейтронами і легкими ядрами при порівняно низьких енергіях частинок, що налітають (1-10 МеВ). Тому ядерні за участю дейтронів можна здійснити не тільки при використанні прискорених на прискорювачі дейтронів, але і шляхом нагрівання суміші взаємодіючих ядер до т-ри ок. 10 7 К. Такі ядерні називають термоядерними. У природних умоввони протікають лише надрах зірок. На Землі термоядерні р-ції за участю ,