Ядерные реакции

Превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами, называются ядерными реакциями. Как правило, в них участвуют два ядра и две частицы. Одна пара “ядро-частица А,а ” называется исходной, а другая В,в – конечной. Символическая запись реакции

A + a ® B + b; A (a,b) B. (34)

В ряде случаев ядерная реакция может происходить неоднозначно

A (a,c) C. (35)

Возможные схемы протекания ядерной реакции называются ее каналами. Начальный этап называется входным каналом. В конце каждого процесса соударения могут возникнуть с разными вероятностями различные группировки частиц, которые называют выходным каналом. Среди выходных каналов всегда имеется канал (а, b), называемый упругим и отвечающий упругому рассеянию

a + b ® a + b. (34a)

Все остальные каналы называются неупругими. Некоторым из них соответствуют процессы неупругого рассеяния.

a + b ® a* + b*, (34б)

где a*, b* - возбужденные состояния частиц.

Если данный конкретный процесс (34) разрешен всеми законами сохранения, то он обязательно протекает и соответствующий ему выходной канал называется открытым. Когда процесс запрещен хотя бы одним законом сохранения, то он не идет, а канал называется закрытым.

Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции Q, равной разности энергии конечной и исходной пар в реакции. Если Q <0, то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической (гр. e`ndon - внутри). Если Q >0, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической (гр. exõ – вне, снаружи).

Примеры ядерных реакций:

- исторически первая ядерная реакция (Резерфорд Э., 1919):

¹⁴₇N + ⁴₂He ® (¹⁸₉F) ®¹⁷₈O + ¹₁р ; ¹⁴₇N (a, p) ¹⁷₈О (36)

составное ядро - компаунд - ядро

(англ. compaund - составной);

- ядерная реакция, в которой был открыт нейтрон (1930)

(гипотеза о существовании нейтрона была выдвинута в 1920 Э.Резерфордом и У.Харкинсом):

⁹₄Be + ⁴₂He ® ¹²₆C + ¹₀n , (37)

¹¹₅B + ⁴₂He ® ¹⁴₇N + ¹₀n (1932, Дж.Чэдвик); (38)

- ядерная реакция, в которой была открыта искусственная радиоактивность (1934, И.Кюри-Жолио, Ф.Жолио):

²⁷₁₃Al + ⁴₂He ® ³⁰₁₅P + ¹₀n . (39)

Здесь ³⁰₁₅P - ядро искусственно радиоактивного фосфора с периодом полураспада 2,55 мин.

³⁰₁₅P ® ³⁰₁₄Si + ⁰₊₁e . (40)

Первая ядерная реакция под действием нейтронов была осуществлена в 1932г. Н.Фрезером:

¹⁴₇N + ¹₀n ® ¹¹₅B + ⁴₂He. (41)

Энергия ядерной реакции

D Е = с ² (å М _i - å М _k), (42)

где å М _i - сумма масс частиц, вступивших в ядерную реакцию,

å М _k - сумма масс образующихся частиц.

Задача 34.14. Вычислить энергию реакции:

⁹₄Be + ²₁H ® ⁴₂He + ⁷₃L_i + D Е.

Решение: М _Ве = 9,01219 а.е.м.

М _н = 2,01410 а.е.м.

М _Не = 4,00260 а.е.м.

М _Li = 7,01601 а.е.м.

D Е = 931,5 (9,01219 + 2,01410 - 4,00260 - 7,01601) = 7,15 МэВ.

Задача 34.14. Вычислить энергию ядерной реакции:

⁷₃L_i + ¹₁H ® 2 ⁴₂He + D Е.

М _Li = 7,01601 а.е.м., М _н = 1,00783 а.е.м., М _Не = 4,00260 а.е.м.,

D Е = 931,5 (7,01601 + 1,00783 - 4,00260) = 17,35 МэВ.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда и массовых чисел. Кроме того, в ядерной физике существуют особые законы сохранения, которых нет в других областях физики. Этот вопрос будет подробнее рассмотрен после изучения свойств элементарных частиц и их классификации.