В первой ядерной реакции осуществленной. Ядерные реакции — Гипермаркет знаний

· Изомерный переход

Я́дерная реа́кция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году , бомбардируя α-частицами ядра атомов азота , она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны . Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра , это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил , сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием .

Механизмы ядерной реакции

Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время , то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10 −23 - 10 −21 . При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии , которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции .

Энергия возбуждения

Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии :

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра .

Каналы реакций

Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции . Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру, может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени .

Прямые ядерные реакции

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия .

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах - барнах , равных 10 −24 см².

Выход реакции

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц , называется выходом ядерной реакции . Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции .

Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики . Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа , лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина , чётности , странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора , указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

Закон сохранения энергии

Если , , , - полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc 2 и кинетической энергии E , поэтому:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции ). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c 2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической , если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической .

Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции . Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями , поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , - векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром . Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

Закон сохранения момента импульса

Ядерная реакция синтеза

Ядерная реакция синтеза - процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания - это так называемый «Кулоновский барьер ». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

• Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе . Согласно кинетической теории , кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция - слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения.

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноименно положительно заряжены.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

+ энергия (17,6 МэВ) .

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза .

Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром . Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов . Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными , а явление испускания нуклонов в этих реакциях - ядерным фотоэффектом .

Другие

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц .

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических , то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа - сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия , импульс , момент импульса , …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие , протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики , имеет вид A (a, bcd…) B , где А - ядро мишени, а - бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … - испускаемые частицы (в том числе ядра), В - остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне - более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде.

Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.

Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.

1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.

Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)

Например:

2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):

Например:

(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.

Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:

Например:

К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:

р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)

• 3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
• 4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).

Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.

Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):

В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:

По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.

Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-

Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):

• 93-7,. I 92 7_ I 1
• 40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.

Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:

Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:

При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.

Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):

при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.

Определение 1

Ядерной реакцией в широком смысле называют процесс, который происходит в результате взаимодействия нескольких сложных атомных ядер или элементарных частиц. Так же ядерными реакциями называют такие реакции, в которых среди исходных частиц присутствует хотя бы одно ядро, оно стыкается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и создаются новые частицы.

Как правило, ядерные реакции происходят под действиями ядерных сил. Однако ядерная реакция распада ядра под действием $\gamma $ -- квантов высоких энергий или быстрых электронов происходит под действием электромагнитных, а не ядерных сил, по той причине, что ядерные силы на фотоны и электроны не действуют. К ядерным реакциям относят процессы, которые происходят при столкновении нейтрино с другими частицами, но они протекают при слабом взаимодействии.

Ядерные реакции могут проходить в природных условиях (в недрах звезд, в космических лучах). Изучение ядерных реакций проходит в лабораториях на экспериментальных установках, в которых энергия заряженным частицам передается с помощью ускорителей. В этом случае более тяжелые частицы находятся в состоянии покоя и их называют частицами-мишенями . На них налетают более легкие частицы, которые входят в состав ускоренного пучка. В ускорителях на встречных пучках в деление на мишени и пучки нет смысла.

Энергия положительно заряженной частицы пучка должна быть порядка или больше кулоновского потенциального барьера ядра. В $1932$ году Дж. Кокрофт и Э. Уолтон впервые осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки протонами, энергия которых была меньшей высоты кулоновского барьера. Проникновение протона в ядро лития произошло путем туннельного перехода через кулоновский потенциальный барьер. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновского потенциального барьера не существует и ядерные реакции могут происходить даже при тепловых энергиях частиц которые налетают.

Самой распространённой и наглядной записью ядерных реакций взято из химии. Слева записывают сумму частиц до реакции, а справа сумму конечных продуктов реакции:

описывает ядерную реакцию, которая происходит в результате бомбардировки изотопа лития ${}^7_3{Li}$ протонами, в результате чего возникает нейтрон и изотоп бериллия ${}^7_4{Be}$.

Ядерные реакции часто записываются в символической форме: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, где $A$ -- ядро мишени, $a$ -- бомбардирующая частица, $bcd\dots и\ B$ -- соответственно частицы и ядро, которые образуются в результате реакции. Реакцию выше можно переписать у виде ${}^7_3{Li}(p,n){}^7_4{Be}$. Иногда используется запись иду $(p,n)$, что значит выбивание нейтрона с некоторого ядра под действием протона.

Количественное описание реакций

Количественное описание ядерных реакций с точки зрения квантовой-механики возможно только статистическим способом, т.е. можно говорить о некоторой вероятности различных процессов, которые характеризуют ядерную реакцию. Таким образом, реакция $a+A\to b+B$, в начальном и конечном состоянии которой есть по две частицы, в этом понимании полностью характеризуется дифференциальным эффективным сечением рассеивания $d\sigma /d\Omega $ внутри телесного кута $d\Omega {\rm =}{\sin \theta \ }\theta d\varphi $, где $\theta $ и $\varphi $ -- полярный и азимутальный углы вылета одной с частиц, при этом угол $\theta $ исчисляется от начала движения бомбардирующей частицы. Зависимость дифференциального сечения от углов $\theta $и $\varphi $ называется угловым распределениям частиц, которые образуют реакцию. Полным или интегральным сечением, которым характеризуется интенсивность реакции, называется дифференциальное эффективное сечение, проинтегрированное по всем значением углов $\theta $ и $\varphi $:

Эффективное сечение можно интерпретировать как площадку, попадая в пределы которой налетающая частица вызовет данную ядерную реакцию. Эффективное сечение ядерной реакции измеряется в барнах $1\ б={10}^{-28}\ м^2$.

Ядерные реакции характеризуются выходом реакции. Выходом ядерной реакции $W$ называется доля частиц пучка, которые получили ядерное взаимодействие с частицами мишени. Если $S$ -- площадь сечения пучка., $I$ -- плотность потока пучка, то на такую же площадь мишени каждую секунду попадает $N=IS$ частиц. С них в одну секунду в среднем реагирует $\triangle N=IS\sigma n$ частиц, где $\sigma $ -- эффективное сечение реакции частиц пучка, $n$ -- концентрация ядер у мишени. Тогда:

Различные классификации ядерных реакций

Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:

• за природою частиц, которые участвуют в реакции;
• за массовым числом ядер, которые участвуют в реакции;
• за энергетическим (тепловым) эффектом;
• за характером ядерных преобразований.

За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:

• при малых энергиях ($E\le 1\ кэВ$);
• при низких энергиях ($1\ кэВ\le E\le 1\ МэВ$);
• при средних энергиях ($1\ МэВ\le E\le 100\ МэВ$);
• при значимых энергиях ($100\ МэВ\le E\le 1\ ГэВ)$;
• при высоких энергиях ($1\ ГэВ\le E\le 500\ ГэВ$);
• при сверхвысоких энергиях ($E>500\ ГэВ$).

В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:

Рисунок 1.

В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:

• под действием нейтронов;
• под действием фотонов;
• под действием заряженных частиц.

За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:

• на легких ядрах ($A
• на средних ядрах ($50
• на массивных ядрах ($A >100$).

За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:

• радиационный захват;
• кулоновское возбуждение;
• деление ядер;
• реакция взрыва;
• ядерный фотоэффект.

При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:

• закон сохранения энергии;
• закон сохранения импульса;
• закон сохранения электрического заряда;
• закон сохранения барионного заряда;
• закон сохранения лептонного заряда.

Замечание 1

Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.

Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q

На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов - точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно - но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.

Общее понятие о ядерных реакциях

Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:

• превращение одного химического элемента в другой;
• синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.

Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы - это возможные пути, по которым реакция будет протекать.

Правила записи ядерных реакций

В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.

Первый способ - тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой - продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние - количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.

Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Общий вид такой записи: A (a, b 1 b 2 …) B. Здесь A - ядро-мишень; a - налетающая частица или ядро; b 1 , b 2 и так далее - легкие продукты реакции; B - конечное ядро.

Энергетика ядерных реакций

В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.

Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.

В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы - разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = E св /c 2 . Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zm p + Am n - М я, где Z - заряд ядра, A - массовое число, m p - масса протона (1,00728 а.е.м.), m n - масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), M я - масса ядра.

При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc 2 /A).

Энергия связи и стабильность ядер

Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.

Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же - напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.

Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.

Реакции распада

Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.

Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число - на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.

Бета-распад, обусловленный происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .

Энергия бета-распада фтора-18 - около 0,63 МэВ.

Деление ядер

Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко - три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.

Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:

235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.

Расщепление на барий-144 и криптон-89 - лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, где 236 92 U* - сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра - примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 10 4 мегаджоулей.

Цепные реакции

Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью - наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.

Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = N i /N i -1 (здесь N - количество частиц, i - порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа - взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.

Ядерный синтез

Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер - так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.

Пример ядерной реакции синтеза - образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ - ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) - с другой.

В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия - самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.

Примеры решения задач

Рассмотрим реакцию деления 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:

Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + …) ∙ c 2 .

Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:

Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.

Еще один пример - на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла - главного источника солнечной энергии.

3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.

Применим ту же формулу:

Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.

Основная доля этой энергии - 12,8 МэВ - приходится в данном случае на гамма-фотон.

Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.

На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:

Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.

Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.

Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).

Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:

Ядро атома азота взаимодействовало с a -частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.

По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.

Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.

Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.

Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой . Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).

Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.