Деление

Этот тип ядерных реакций наблюдается для очень тяжелых ядер, содержащих большое число протонов. Равновесие между силами притяжения и отталкивания в таких ядрах легко нарушается при возникновении колебаний, которые можно инициировать облучением ядра нейтронами.

В результате деления большое ядро разделяется на два более мелких. Дополнительно, из-за необходимости соблюдения оптимального протонно-нейтронного баланса в ядрах-осколках, отщепляется несколько свободных нейтронов. Эти нейтроны могут, в свою очередь, инициировать дальнейшие акты деления, так что процесс может приобрести цепной характер взрыва.

^M A _Z + ¹ n ₀ = ^M–m–k B _Z–z + ^m C_z + (k+1) ¹n ₀ + DE

Ядра-осколки, обладая большими электрическими,зарядами испытывают чрезвычайно сильное отталкивание. В результате они разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромные скорости, близкие к скорости света. При торможении осколков в веществе (например, в воде) их кинетическая энергия преобразуется в тепло.

Типичным примером реакции деления может служить распад ядер урана:

²³⁵ U ₉₂ + n ® [²³⁶ U ₉₂] ® ¹⁴⁴ Ba ₅₆ + ⁸⁹ Kr ₃₆ + 3 n + 208 МэВ

Эта реакция лежит в основе действия таких технических устройств, как атомная бомба (нерегулируемый вариант) и атомный реактор (регулируемый вариант).

Синтез

При столкновении двух ядер малого размера они могут объединиться в одно ядро большего размера:

^M A _Z + ^m B _z = ^M+mC _Z+z + DE

Эти реакции ядерного синтеза требуют предварительной активации исходных ядер. Дополнительная энергия необходима для преодоления сил кулоновского отталкивания при сближении исходных ядер. Обычно активация осуществляется термическим путем: исходные ядра нагреваются до температур порядка 10⁹ К.

Практически реализованным является только одна реакция синтеза, лежащая в основе т.н. «водородной» (термоядерной) бомбы. В центре водородной бомбы находится урановый или плутониевый заряд. Вокруг него находится оболочка из твердого вещества — дейтерида лития (LiD). При взрыве заряда дейтерид лития облучается мощным потоком нейтронов и нагревается до нужной температуры. Под действием нейтронов ядра лития распадаются с выделением ядер трития и гелия:

⁶ Li ₃ + ¹ n ₀ ® [ ⁷ Li ₃ ]^* ® ³ T ₁ + ⁴ He ₂

В результате начинает протекать следующая реакция синтеза:

³ T ₁ + ² D ₁ ® ⁴ He ₂ + ¹ n ₀ + 17,6 МэВ

Энергетический эффект этой реакции (в расчете на единицу массы) существенно выше (примерно в 4 раза), чем у реакций деления тяжелых ядер.

Известна также серия реакций ядерного синтеза (т.н. "цикл Бете"), которая, как полагают, обеспечивает существование звезд:

¹ H ₁ + ¹² C ₆ ® ¹³ N ₇ + g

¹³ N ₇ ® ¹³ C ₆ + e ⁺ + n

¹ H ₁ + ¹³ C ₆ ® ¹⁴ N ₇ + g

¹ H ₁ + ¹⁴ N ₇ ® ¹⁵ O ₈ + g

¹⁵ O ₈ ® ¹⁵ N ₇ + e ⁺ + n

¹ H ₁ + ¹⁵ N ₇ ® ¹² C ₆ + ⁴ He ₂

4 ¹ H ₁ ® ⁴ He ₂ + 2 e ⁺ + 2 n + 3 g + 25,7 МэВ

Из сказанного выше следует, что максимальной стабильностью обладают атомные ядра не слишком большие, но и не слишком малые. Это можно проиллюстрировать следующей кривой, которая показывает зависимость удельной энергии связи (в расчете на 1 нуклон) от размеров ядра (общего числа нуклонов).

Все рассмотренные выше типы ядерных реакций протекают с выделением энергии, т.е приводят к образованию продуктов, более стабильных, чем исходные ядра. Можно, однако, осуществить и такие ядерные реакции, которые протекают с поглощением энергии, что, конечно, требует внешнего источника работы. Обычно эти реакции проводят в специальных устройствах — ускорителях частиц. Атомные ядра одного вида разгоняют электрическим полем и направляют на мишень. При столкновении ядер-снарядов и ядер-мишеней могут протекать разнообразные ядерные реакции. Примером может служить следующая:

¹⁶⁵ Eu ₆₃ + ³² S ₁₆ ® ¹⁹⁶ Au ₇₉ + ¹ n ₀

Ввиду больших энергетических затрат такой способ получения золота экономически невыгоден. Тем не менее, реакции типа "мишень-снаряд" могут применяться для исследовательских целей. В частности, практически все трансурановые элементы синтезированы именно таким способом.