Ядерные реакции

Ядерные реакции

Структура и состав атомного ядра могут изменяться не только при самопроизвольном распаде, но и при взаимодействии с другим ядром или элементарной частицей. Такое взаимодействие называют ядерной реакцией.

Ядерные реакции, возникающие при бомбардировке ядер протонами, нейтронами, α-частицами, ионами, символически можно записать следующим образом:

X + aY + b,

где  X - исходное ядро, или ядро-мишень;

Y - конечное ядро;

 a - бомбардирующая частица;

b - испускаемая частица.

Механизмы ядерных реакций

Ядерные реакции

Иллюстрация к теории составного ядра

Нужно сказать, что строгой теории механизма ядерных реакций в настоящее время не существует. Физики различают реакции двух типов в зависимости от механизма взаимодействия:

  1. Реакции с образованием составного, или промежуточного, ядра.
  2. Прямые ядерные реакции.

Ядерные реакции с образованием составного ядра

В 1936 г. Нильс Бор предположил, что ядерная реакция при захвате ядром частицы с малой кинетической энергией проходит в 2 этапа:

X + a → С* → Y + b,

где С* – промежуточное, или составное, ядро.

Представим, что к находящемуся в покое ядру X приближается частицу a. На расстоянии примерно  2*10-15 м на неё начинают действовать ядерные силы, и при столкновении она захватывается ядром. Образуется промежуточное ядро С*. Частица привносит в него избыточную энергию, которая довольно быстро распределяется между нуклонами. Ядро переходит в возбуждённое состояние. Но каждый из нуклонов обладает энергией, меньшей энергии связи ядра и недостаточной для того, чтобы покинуть ядро.

Расстояние, равное диаметру ядра, частица может перелететь за время, равное 10−23 — 10−21 с. Это время называют ядерным временем. Но время жизни составного ядра значительно больше ядерного времени.  Оно живёт 10−13 — 10−16 с. И за это время частица может много раз сталкиваться с нуклонами, передавая им энергию, а нуклоны сталкиваются между собой.

Этот этап образования составного ядра Бор показал на очень простом примере. В плоскую деревянную тарелку он положил металлические шарики. Тарелка изображала ядро атома, а шарики – нуклоны. Когда по наклонному жёлобу в тарелку попадал ещё один шарик, он начинал сталкиваться с другими шариками. Они тоже приходили в движение, но выкатиться за пределы «ядра» не могли, так как ни один из них не приобрёл достаточной для этого кинетической энергии.

К сожалению, это была всего лишь хорошая иллюстрация к теории образования составного ядра, не способная объяснить всю теорию Бора.

На втором этапе энергия в составном ядре многократно перераспределяется между нуклонами до тех пор, пока какой-то нуклон не накопит такое количество энергии, что окажется способным покинуть промежуточное ядро, что и сделает. Промежуточное ядро С*  распадётся. Образуется новое ядро Y. Тип частицы b, вылетающей из ядра совершенно не зависит от того, каким образом распадается составное ядро.

Ядерные реакции могут проходить под воздействием разных частиц:

  • нейтронов, не имеющих заряда
  • заряженных частиц - α-частиц, протонов, дейтронов и др., 
  • гамма-квантов.

Поскольку нейтроны не несут заряда, то они легко проникают в ядро-мишень, вызывают в нём превращения и рождение составного ядра. Причём это удаётся не только быстрым, но и медленным нейтронам. Для этого достаточно даже малой кинетической энергии.

А вот положительно заряженным частицам сделать это труднее. Ведь им нужно преодолеть силы кулоновского отталкивания существующих в ядре протонов. Поэтому они должны обладать большой кинетической энергией, чтобы попасть в ядро. Энергия положительно заряженных альфа-частиц, испускаемых природными источниками, равна примерно 4 – 9 МэВ. Этого достаточно, чтобы частица могла проникать только в ядра лёгких элементов. Потоки частиц с высокой энергией и скоростью, способные проникать в ядра тяжёлых элементов, создают искусственно в линейных ускорителях заряженных частиц.

Прямые ядерные реакции

Прямые ядерные реакции, без образования промежуточного ядра, проходят за время, равное ядерному времени. И если исходная частица, бомбардирующая ядро-мишень, обладает большой кинетической энергией, достаточной для преодоления ядерных сил притяжения внутри него, то она успевает пролететь ядро за ядерное время, столкнувшись чаще всего лишь с одним нуклоном. Этот нуклон, получив энергию, близкую по величине энергии бомбардирующей частицы, вылетает из ядра вперёд, не успев поделиться полученной энергией с другими нуклонами.

В прямых ядерных реакциях любые налетающие частицы взаимодействуют с ядрами атомов, передавая энергию непосредственно отдельным нуклонам. В результате из ядер вылетают отдельные нуклоны, пáры нуклонов, ядра гелия, лития, дейтроны и др.

Полную характеристику ядерной реакции могут дать понятия, называемые каналами реакции.

Входной канал характеризует типы налетающих на ядро-мишень частиц и их квантовое состояние.

Выходной канал – это характеристика возникающих в результате реакции продуктов распада и их квантовое состояние.

Законы сохранения в ядерных реакциях

Для ядерных реакций справедливы все законы сохранения классической физики: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения электрического заряда.

Кроме классических законов при выполнении ядерных реакций действует закон сохранения барионного заряда, т.е. числа нуклонов.

Полная энергия частицы состоит из энергии покоя Мс2 и кинетической энергии Е. Поэтому закон сохранения энергии можно записать следующим образом:

М1с2 + М2с2 + Е1 + Е2 =  М3с2 + М4с2 +  Е34,

 где Е1 и Е2 – кинетические энергии частиц до реакции;

Е3 и Е4, - кинетические энергии частиц после реакции;

Величину, равную разности кинетических энергий на входе и выходе, называют энергией реакции:

Q = (E3 + E4) − (E1 + E2) 

Если Q ˃ 0, в результате реакции энергия выделяется. Такую реакцию называют экзоэнергетической. Если же Q < 0, то реакция проходит с поглощением энергии и называется эндоэенергетической.

Первой в мире ядерной реакцией физики считают реакцию, которая произошла при бомбардировке атомов азота α-частицами. Её наблюдал Резерфорд в 1919 г. во время своего очередного опыта по изучению состава ядра. В результате этой реакции азот превратился в изотоп кислорода с атомной массой 17 c испусканием протона (иона атома водорода).

Ядерные реакции

Алхимики позавидовали бы Резерфорду. Ведь ему удалось то, что они безуспешно пытались сделать веками – искусственно превратить одно вещество в другое.