70. Ядерні реакції

Ядерні реакції – це перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або між собою.

Символічно ядерні реакції записуються у вигляді А+а→B+b або А(а,b)В, де А – початкове ядро; а – частинка, яка викликає ядерну реакцію; В – нове ядро; b – частинка, що виникає при реакції.

Реакція (1), при якій властивості ядра і частинки до і після взаємодії залишаються без змін, наз. пружним розсіянням. Реакцію (2) наз. непружним розсіянням. У ній склад ядра А не змінюється, а змінюється його внутрішній стан, тобто ядро переходить у збуджений стан. Реакцію (3) наз. ядерною реакцією.

Різницю власних енергій ядер і частинок до і після реакції наз. тепловим ефектом реакції Q, тобто

Q = (M1+m1)C2 – (M2+m2)C2 (4)

де

При Q > 0 ядерна реакція наз. екзотермічною,

при Q < 0 – ендотермічна.

Перша ядерна реакція була здійснена Є.Резерфордом у 1918р.

або (5)

Якщо одне з ядер ізотопу А розмістити на шляху потоку бомбардуючих частинок, то ймовірність ядерної реакції за одиницю часу W пропорційна густині потоку f. Густиною потоку наз. кількість частинок, що пролітають за одиницю часу через одиницю площі поверхні, розміщеної перпендекулярно до потоку.

W= s f (6)

Очевидно, що s має розмірність площі – ця величина наз. ефективним перерізом ядерної реакції. s чисельно дорівнює ймовірності одиничного акту даної взаємодії з ядром за одиницю часу при густині потоку, коли через одиницю площі за одиницю часу проходить одна частинка.

1б = 10-28м2

Розглянемо деякі види ядерних реакцій:

Ядерні реакції під дією нейтронів.

Нейтрон з будь-якою енергією вільно проникає в усі ядра атомів. Ряд наймасивніших ядер () зазнає поділу при захопленні повільних нейтронів. Ці ядерні реакції лежать в основі роботи ядерних реакторів на повільних нейтронах. Найпоширенішими є реакції радіаційного захоплення (n, g).

Ядра та інші важкі ядра зазнають поділу тільки під дією швидких нейтронів, енергія яких досягає кілька МеВ.

Цікава реакція , яка постійно протікає в атмосфері під дією нейтронів, які утворюються в космічних променях. Вуглець (радіовуглець), що виникає при цьому, b¯ - радіоактивний з періодом піврозпаду 5600 років, засвоюється при фотосинтезі рослинами і приймає участь в кругообігу речовин в природі.

Доки органічна речовина живе, зменшення в ній С14 внаслідок радіоактивності компенсується за рахунок участі у кругообігу речовин в природі. У момент смерті організму процес засвоєння зразу ж припиняється і концентрація 14С у звичайному вуглеці починає зменшуватися по закону радіоактивного розпаду. Отже, вимірявши концентрацію 14С у залишках організмів, можна визначити дату їх смерті.

Ядерні реакції під дією протонів і альфа-частинок.

Для протонів існує потенціальний бар’єр ядра і частинка повинна подолати кулонівське відштовхування. Під дією протонів можливі ядерні реакції

(р, g); (p, n); (p, a)

Для a-частинок прояв потенціального бар’єру ядра значно сильніший, оскільки заряд a-частинки в два рази більший від заряду протона.

За допомогою реакції

Жоліо-Кюрі відкрив штучну радіоактивність, а при вивченні реакції

Дж.Чедвік у 1932р.

Ядерні реакції під дією дейтронів.

Дейтрон являє собою відносно слабо зв’язану і досить протяжну систему двох нуклонів (протон і нейтрон). Енергія зв’язку становить 2,225 МеВ, а середня відстань між нуклонами в дейтроні майже в два рази більша за ефективний радіус дії ядерних сил.

При енергіях дейтрона від 1 до 8 МеВ відбуваються переважно реакції (D, р).

Коли дейтрон порівняно невеликих енергій пролітає на близькій відстані від ядра, то поле ядра великої напруженості з великою силою відштовхує ядро, не діючи на нейтрон. Якщо нейтрон виявиться біля ядра на відстані дії ядерних сил, а протон дейтрона буде на порівняно більшій відстані, то нейтрон захоплюється ядром, а протон відривається і продовжує рух, не проникаючи в ядро. Отже, така реакція відбувається за межами ядра і наз. реакцією зриву.

Приклади: ; та ін.

При енергії дейтронів понад 100 МеВ з однаковою імовірністю відбуватимуться як реакції (D р), так і реакції (D, n). Останні дають змогу дістати нейтрони з великими енергіями.

Ядерні реакції під дією g–квантів.

Відбуваються, коли енергія g–квантів більша за енергію зв’язку нуклона в ядрі. Вони наз. фотоядерними реакціями. Це реакції

(g, n); (g, p); (g, n, p) та ін.

Під дією g–фотонів великих енергій ядро може “вибухнути”, роздробившись на велику кількість осколків.

Ядерні реакції при високих енергіях.

Протікають при проникненні в ядра частинок з великими енергіями (сотні і більше МеВ).

Енергія, внесена частинкою, може бути більшою за енергію зв’язку ядра. Тому першим етапом взаємодії є вилітання кількох нуклонів з ядра. Після цього ядро залишається у збудженому стані, що приводить до наступного вилітання нуклонів подібно до випаровування молекул нагрітою краплиною рідини.