Ядерні реакції

Ядерні реакції – це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками, з - квантами або між собою.

Характер ядерної реакції визначається видом частинки, її енергією, властивостями речовини і умовами взаємодії. Зокрема, зіткнення частинок з ядром викликає різні ядерні реакції, в результаті яких відбувається зміна заряду чи маси частинки або випускаються g - кванти.

Типовим прикладом ядерної реакції є процес взаємодії швидких a - частинок з ядрами азоту, при якому спостерігається виліт протонів:

.

Вперше ядерну реакцію такого типу здійснив Резерфорд в 1919 р. Кількість відомих нині ядерних реакцій сягає уже тисяч.

Ядерні реакції записують у вигляді рівняння

,

,

де - проміжне ядро у збудженому стані.

Тип ядерної реакції визначається видом взаємодіючої і виділеної частинок

(а, b). Якщо вони збігаються (а, а), реакцію називають розсіянням частинки а. У такому разі склад ядер не змінюється. Якщо в ядерній реакції частинка а зникає (поглинається ядром), а замість неї появляється нова частинка b, склад ядра змінюється: відбувається ядерне перетворення.

За механізмом взаємодії ядерні ре­акції можна поділити на два види:

· прямі ядерні реакції;

· реакції з утворенням проміжного ядра.

Прямі ядерні реакції відбуваються при дуже високих енергіях частинок і за дуже короткий час, необхідний для того, щоб частинка пролетіла через ядро . Наприклад, швидкий протон може вибити з поверхні ядра один з нуклонів і полетіти разом з ним.

Більшість же ядерних реакцій з кінетичною енергією частинок <10 МеВ проходить з утворенням проміжного ядра. Така ядерна взаємодія відбувається у два етапи.

На першому етапі відбувається захоплення частинки ядром і виникнення проміжного ядра, яке знаходиться у збуд­женому стані. Енергія збудження складається з кінетичної енергії частинки і енергії зв'язку нуклона , який приєднався:

.

Енергія зв’язку нуклона в середньому дорівнює 8 МеВ. Тому складове ядро отримує досить велику енергію збуд­ження.

В ядерній взаємодії беруть участь лише ближні до частинки нуклони, тому до них переходить основна частина енергії збудження. Енергія, отримана такими нуклонами, передається потім за участю ядерних сил сусіднім і поступово статистично розподіляється між всіма нуклонами ядра. При цьому відбувається значний розігрів ядра. Енергія збудження, розподілена рівномірно між всіма нуклонами, недостатня для подолання енергії зв'язку нуклона. Однак з часом флуктуації збудженого ядра приводять до того, що в одному нуклоні зосереджується енергія, достатня для відриву його від ядра . Тоді нас­тає другий етап ядерної реакції – викидання нуклона з ядра.

При захопленні нейтрона з утворенням складового ядра швидкість нейтрона, який вилетів, звичайно менша, ніж швидкість захопленого первинного нейтрона. Оскільки первинні і вторинні нейтрони не можна розрізнити, таке явище сприймається як дещо сповільнене розсіяння нейтрона з втратою частини його енергії. Такий процес має назву непружного (резонансного) розсіяння частинок: .

У деяких випадках розпад проміжного ядра з випусканням нейтрона може затриматися настільки, що починає переважати конкуруючий процес – розпад з ви­промінюванням g- квантів під дією більш слабких електромагнітних сил. Після випускання g- квантів збуджене ядро переходить в основний енергетичний стан. Такий процес взаємодії частинки з ядром назива­ють радіаційним захопленням частинки.

Існують певні обмеження енергії для ядерної реакції з утворенням складового ядра. Наявність енергетичних рівнів ядра строго лімітує порції енергії, які можуть бути передані ядру. Оскільки енергія зв’язку має цілком певне значення для сис­теми ядро-нуклон, передача енергії збуд­ження може відбуватися через зміну кінетичної енергії частинки. Отже, утворення проміжного ядра можливе лише при певних значеннях кінетичної енергії частинки. Якщо кінетична енергія частинки відрізняється від цих значень, проміжне ядро не утворюється. В цьому випадку при зіткненні частинки з ядром відбувається її пружне (потенціальне) розсіяння: .

Проміжок часу, який потрібний нуклону з енергією порядку 1 МеВ для того, щоб пройти відстань, яка дорівнює діаметру ядра , називається ядерним часом (або ядерним часом прольоту):

.

Середній час життя складового ядра на багато порядків перевищує ядерний час . Отже, розпад проміж­ного ядра являє собою процес, який не залежить від першого етапу реакції, що полягає в захопленні частинки А (проміжне ядро якби забуває спосіб свого утворення). Одне і те саме ядро може розпадатися різними шляхами, причому характер цих шляхів і їх відносна імовірність не залежить від способу утворення проміжного ядра.

Ядерну реакцію, що приводить до утворення проміжного ядра, називають вхідним каналом ядерної реакції, а кожний окремий вид розпаду проміжного ядра – вихідним каналом.

Наприклад, проміжне ядро має три вхідні канали його утворення і три вихідні канали його розпаду:

.

Здійснення того чи іншого виду вихідного каналу залежить від енергії збуд­ження проміжного ядра . Якщо енергія збудження перевищує енергію зв’язку - частинки або дейтрона , проміжне ядро може перейти в основний стан, випустивши одну з цих частинок. Якщо ж менша від енергії цих частинок, то перехід в основний стан відбувається через випускання одного або декількох -квантів.

Під час ядерної реакції зберігається загальна кількість нуклонів і сумарний заряд, а відбувається лише перерозподіл нуклонів і заряду між ядрами та частинками. Збереження заряду і кількості нуклонів дає змогу якісно визначити можливі напрямки перебігу ядерної реакції.

Ядерні реакції супроводжуються зміною кінетичної енергії взаємодіючих частинок. Для ядерних реакцій виконуються закони збереження енергії і ім­пульсу.

Запишемо баланс енергії в реакції

,

враховуючи, що повна енергія ядра і частинок дорівнює сумі їх енергій спокою і кінетичної енергії Е:

З цього рівняння можна визначити енергію ядерної реакції (або тепловий ефект Q) як зміну кінетичної енергії в процесі реакції:

.

Якщо масу вимірювати в а.о.м., то .

Маси спокою для даного набору ядер і частинок мають цілком певне значення, тому Q набуває характерного значення для кожної ядерної реакції.

Залежно від зміни маси ядер і частинок, що беруть участь в реакції, Q може набувати значення Q >0, Q .

Реакції з називають екзоенергетичними (екзотермічними). В цьому випадку частина енергії спокою вихідного ядра X і взаємодіючої частинки a перетворюються в кінетичну енергію продуктів реакції, при цьому маса останніх зменшується. Прикладом такої реакції є

.

Екзоенергетичні реакції можуть від­буватись і при нульовій кінетичній енергії взаємодіючих частинок, якщо їх наближенню не заважають кулонівські сили від­штовхування:

Реакції з від’ємними значеннями Q називають ендоенергетичними (ендотермічними). Для таких реакцій при умові (вихідне ядро є нерухомим)

.

Оскільки , ендоенергетичні реакції мають порогову енергію. Вони можуть відбуватися лише в тому випад­ку, коли кінетична енергія частинки більша від деякого порогового значення реакції . Прикладом такої реакції є реакції виду

Рівняння ядерної реакції показує лише якісний характер взаємодії частинки з ядром, за його видом нічого не можна сказати про кількісні характеристики ядер­ної реакції.

Всі ядерні реакції підпорядковані законам квантової механіки. Тому можна розглядати лише ймовірнісні характеристики перебігу тих чи інших реакцій. Ця імовірність в ядерній фізиці визначається значенням ефективного перерізу реакції G:

,

де n – концентрація ядер, товщина мішені, первинний потік частинок, потік частинок на глибині .

Ефективні перерізи ядерних процесів виражаються в одиницях, які називаються барн: 1 барн = .

Найбільше значення мають реакції, які викликаються нейтронами. Нейтрони не відчувають кулонівського відштовхування, внаслідок чого вони можуть проникати в ядра, маючи доволі малу енергію. Нейтрони були виявлені в такій ядерній реакції (1930):

.

Характер ядерних реакцій під дією нейтронів істотно залежить від їх швид­кості. Залежно від енергії нейтрони умовно діляться на повільні з енергією , і швидкі, енергія яких .

Повільні нейтрони ефективні для збудження ядерних реакцій, оскільки вони відносно довго знаходяться поблизу атомного ядра. Завдяки цьому імовірність за­хоплення нейтрона ядром стає доволі великою, для повільних нейтронів характерне пружне розсіяння на ядрах (реакції типу (n, n)). Реакція приводить до утворення нового ізотопу вихідної речовини:

; .

Часто в результаті - реакції утворюються штучно - радіоактивні ізотопи, які дають розпад:

i

Під дією повільних нейтронів на деяких легких ядрах спостерігаються такі реакції захоплення нейтронів з випусканням заряджених частинок -

; .

Реакції типу і , тобто реакції з утворенням заряджених частинок відбуваються в основному під дією швидких n, оскільки у випадку повільних ней­тронів енергії атомного ядра недостатньо для подолання потенціального бар’єра, що перешкоджає вильоту протонів і частинок.

Для швидких нейтронів спостерігається непружне їх розсіяння, що здійснюється за схемою

,

де нейтрон, який вилітає з ядра, позначений як , оскільки це не той нейтрон, який проник в ядро. має енергію, меншу енергії , а ядро, що залишається після вильоту нейтрона, знаходиться у збуд­женому стані, тому його перехід в нор­мальний стан супроводжується випусканням - кванта.

Коли енергія нейтронів досягає значень , стає можливою реакція типу .

Наприклад, в реакції

утворюється штучно - активний ізотоп , що розпадається за схемою

.

Ядерні реакції класифікуються за такими ознаками:

1) за родом частинок, що беруть в них участь:

- реакції під дією нейтронів;

- реакції під дією заряджених частинок;

- реакції під дією квантів;

2) за енергією частинок, що їх викликають:

- реакції при малих енергіях , що проходять за участю нейтронів;

- реакції при середніх енергіях (до 10 MeB), що проходять за участю квантів і заряджених частинок (, );

- реакції при високих енергіях (10–100) MeB, які приводять до народження елементарних частинок, що відсутні у вільному стані.

3) за родом ядер, що беруть участь в реакції:

- реакції на легких ядрах ;

- реакції на середніх ядрах ;

- реакції на важких ядрах .

4) за характером ядерних перетворень, що відбуваються:

- реакції з випусканням нейтронів;

- реакції з випусканням заряджених частинок;

- реакції захоплення (під час цих реакцій складове ядро переходить в основний стан, випромінюючи один або кілька квантів.

СИНЕЛЬНИКОВ К.Д., ЛЕЙПУНСЬКИЙ О.І., ВАЛЬТЕР А.К., ЛАТИШЕВ Г.Д.

Розщепили в 1932 р. ядро атома літію протонами, прискореними до 300-400 ксВ: ₃Li⁷+₁В¹ ® ₂He⁴+₂He^4..

Це перша в СРСР і друга в світі штучна ядерна реакція.

Вивчали взаємодію повільних і швидких нейтронів з ядрами.

Дослідили ядерні реакції за участю найлегших ядер. Детально вивчили функції збудження і виміряв абсолютні перерізи реакцій: дейтрон з дейтроном, тритій з дейтроном, гелій-3 з дейтроном, літій-6 з нейтроном, тритій і гелій-3 з легкими ядрами.

ЛЕЙПУНСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ

(1903-1972)

Створив в 1932 р. апаратуру для утворення монохроматичного пучка потоку нейтронів в інтервалі середніх енергій (до 200 кеВ).

Показав, що для нейтронів середніх енергій ймовірність процесу розсіяння набагато перевищує ймовірність процесу захоплення.

КЛЮЧАРЬОВ ОЛЕКСІЙ ПАВЛОВИЧ

(нар.1910 р.)

При пружному розсіянні протонів при енергіях 5,4 і 19,6 МеВ на мішенях з розділених ізотопів відкрив (1960 р.), детально вивчив і пояснив ізотопний ефект, який полягає в тому, що ядра з парним масовим числом, але малою різницею нейтронів і протонів виявляють аномально велику інтенсивність розсіяних протонів в області великих кутів.

З 1957 р. провів дослідження багаточастинкових ядерних реакцій, які викликані прискореними іонами He⁴, Be⁹, B¹⁰, C¹².

ПАСІЧНИК МИТРОФАН ВАСИЛЬОВИЧ

(1912-1996)

Вивчав взаємодію нуклонів низьких і середніх енергій з атомними ядрами.

Виконав експериментальні дослідження пружного і непружного розсіяння, радіаціного захоплення нейтронів з енергією порядку 1-14 МеВ великою групою ядер. Зробив висновок про те, що кутовий розподіл пружно розсіяних нейтронів залежить від атомної маси елементів, на яких відбувається розсіяння, і від енергії нейтронів. Показав, що процеси пружного розсіяння нейтронів досить добре описується за допомогою оптичної моделі атомного ядра.

АФАНАСЬЄВ МИКОЛА ГРИГОРОВИЧ

Вивчив пружне магнітне розсіяння електронів на ядрах ³⁹R, ⁴⁹Ti, ⁵⁹Co, визначив вищі магнітні мультипольні моменти для цих ядер. Показав, що одночастинкова оболонкова модель погано описує процес пружного магнітного розсіяння і необхідно використовувати більш реалістичні ядерні моделі.

НЄМЕЦ ОЛЕГ ФЕДОРОВИЧ

(нар.1922 р.)

Дослідив розсіювання і реакції дейтронів і альфа-частинок середніх енергій з ядрами, виміряв векторну поляризацію дейтронів при пружному розсіюванні на ряді ядер, показав роль тричастинкових ефектів у ядерних реакціях. Встановив зв’язок між механізмами ядерних реакцій і природою збуджених рівнів ядер. Дослідив механізм ядерної реакції розщеплення дейтрона, показав, що реакція проходить шлях трьох різних механізмів, виявив немонотонну залежність перетину розщеплення дейтрона від масового числа (ефект Немця), вивчив низку кінематично повних тричастинкових реакцій, які викликаються протонами, дейтронами і альфа-частинками на легких ядрах.

АХІЄЗЕР ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ

(1911-2000)

Виконав в 1941 р. разом із І.Я.Померанчуком дослідження по розсіюванню повільних нейтронів кристалами і передбачив “холодні” нейтрони, побудував в 1948 р. теорію резонансних ядерних реакцій і в 1949 р. теорію дифракційного розсіювання швидких заряджених частинок ядрами.

СИТЕНКО ОЛЕКСІЙ ГРИГОРОВИЧ

(1927-2002)

Розробив в 1958 р. теорію дифракційних ядерних процесів, яка враховує ефекти багатократного розсіювання і яка отримала назву теорії Ситенко-Глаубера. Вніс суттєвий вклад в розробку теорії прямих ядерних процесів. Дослідив розщеплення легких ядер в кулонівському полі і поляризаційні явища в прямих ядерних реакціях.