Ядерные реакции. Превращение одного атомного ядра X в ядро У другого химическо­го элемента может происходить не только самопроизвольно

Превращение одного атомного ядра X в ядро У другого химическо­го элемента может происходить не только самопроизвольно, но также при взаимодействии с какой-нибудь частицей а, которую называют бом­бардирующей. Такое превращение называется ядерной реакцией. Кроме ядра У среди продуктов реакции всегда присутствует еще одна (или не­сколько) быстрая частица Ь, которая называется испускаемой. Таким образом, ядерную реакцию условно можно записать так:

X + a → Y + b, или X (a, b) Y

В качестве частиц а и b в ядерной реакции могут участвовать нейтрон n, протон р, ядро тяжелого водорода ²₁ Н - дейтон, а -частица или γ-квант.

Ядерная реакция может произойти только в том случае, когда частица а подлетает к ядру X так близко, что между ними начинают действовать ядерные силы. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут про­никать в атомные ядра, обладая любой кинетической энергией. Так как атомное ядро X имеет положительный заряд, для осуществления ядер­ной реакции с положительно заряженной частицей а необходимо, чтобы эта частица обладала достаточно высокой кинетической энергией для преодоления кулоновских сил отталкивания. Пучки заряженных частиц с энергией, достаточной для проникновения в атомные ядра, получают в специальных устройствах, называемых ускорителями, где заряженные частицы приобретают высокие энергии, двигаясь в сильных электриче­ских и магнитных полях. В лабораторных условиях ядерные реакции протекают при падении потока частиц на мишень, которая обычно пред­ставляет собой очень тонкую пластинку, изготовленную из исследуемого вещества.

Первая ядерная реакция была осуществлена при облучении азота а- частицами от радиоактивного источника. При этом некоторые ядра азо­та превращались в ядра кислорода и испускали протон. Эта реакция описывается уравнением

или

При бомбардировке атомов лития искусственно ускоренными прото­нами была вызвана ядерная реакция

, или

Следует отметить, что во всех ядерных реакциях сохраняются числа ну­клонов и заряд частиц.

При взаимодействии любых частиц должны выполняться законы со­хранения импульса и энергии. Не должны быть исключением и взаи­модействия частиц в ядерных реакциях. Закон сохранения импульса в ядерной реакции (23.12) выражается равенством

, (23.13)

где , , , и - импульсы частиц X, а, Y и b соответственно. Закон сохранения энергии с учетом выражения (23.3) можно записать так:

M_X c ² + T_X + m_a c ² + T_a = M_Y c ² + T_Y + m_b c ² + T_b (23.14)

где M_X, T_X, m_a, T_a, M_Y, T_Y, m_{b ,} T_b ~ массы покоя и кинетические энергии частиц, участвующих в реакции.

Разность Q кинетических энергий частиц-продуктов реакции и частиц, вступающих в реакцию,

Q = T_Y + T_b - T_X - T_a, (23.15)

называется энергией реакции. Используя эту величину, уравнение (23.14), выражающее закон сохранения энергии, можно преобразовать к виду

T_X + T_a + Q = T_Y + T_b, (23.16)

где

Q = (M_X + m_a – M_Y – m_b) c ² (23.17)

Как видно из этой формулы, энергия реакции является ее энергетиче­ской характеристикой. Зная массы покоя частиц, участвующих в ре­акции, можно вычислить энергию реакции по формуле (23.17). Реак­ции, для которых энергия Q > 0, называются экзотермическими. Из равенства (23.15) следует, что для таких реакций суммарная кинетиче­ская энергия продуктов реакции выше кинетической энергии исходных частиц. Это означает, что после реакции внутренняя энергия и темпера­тура вещества повышаются. В таком случае говорят, что реакция идет с выделением тепла, которое приводит к нагреванию вещества. Экзотер­мические ядерные реакции используют для получения тепловой энергии с целью дальнейшего ее превращения в электрическую энергию.

Потенциальный барьер при а-распаде шубин

Поле ядра соколов стр 537