Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром.

Наиболее распространенный вид ядерной реакции – взаимодействие легкой частицы aс ядромX. В результате образуется легкая частицаbи ядроY. Уравнение реакции можно записать сокращенно в видеX(a,b)Y. В качестве легких частиц могут быть нейтрон (n), протон (p), дейтрон (d),α-частица (α),γ-фотон (γ).

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения: электрических зарядов и массовых чисел; энергии, импульса и момента импульса. Энергия, выделяемая или поглощаемая при ядерной реакции, определяется разностью масс исходных и конечных продуктов:

.

Реакция называется экзотермической(если энергия выделяется) иэндотермической (если энергия поглощается)

Нильс Бор установил, что реакции, вызываемые не слишком быстрыми частицами, протекают в две стадии по схеме:

.

Первая стадия – захват ядром Xчастицыaи образование промежуточного ядраΠ.ЯдроΠназываетсясоставнымиликомпаунд-ядром.

Энергия влетевшей в ядро частицы aраспределяется между нуклонами составного ядра. В результате ядроΠоказывается в возбужденном состоянии.

Вторая стадия – испускание составным ядром частицы bс образованием ядраY.

Промежуток времени, необходимый нуклону с энергией 1 МэВ для прохождения расстояния ~ 10^-15м (порядка диаметра ядра) называется ядерным временем или временем пролета. Ядерное время составляет величину порядкаτ_яд≈ 10^-21÷ 10^-22с.

Среднее время жизни составного ядра достаточно велико и составляет 10^-14÷ 10^-12с. Следовательно, распад составного ядра – процесс, независящий от первой стадии реакции (составное ядро как бы «забывает» способ своего образования). То есть вторая стадия реакции не зависит от способа образования составного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, без образования составного ядра называются прямыми ядерными взаимодействиями. К ним относятсяреакция срываиреакция подхвата.

Реакция срыва имеет место при нецентральных соударениях дейтрона с ядром. При этом один из нуклонов дейтрона может попасть в зону действия ядерных сил и будет захвачен ядром. Второй нуклон останется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо.

Реакция подхватазаключается в том, что налетевший нуклон «откалывает» от ядра один из нуклонов, превращаясь в дейтон.

Примеры ядерных реакций:

1. превращение азота в кислород под действием α-частиц:

.

2. реакции под действием дейтронов, приводящие к синтезу более тяжелых ядер:

,

.

Большое значение имеют ядерные реакции под действием нейтронов. Нейтроны – электрически нейтральные частицы, они не испытывают кулоновского отталкивания и поэтому легко проникают в ядра. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами различен для быстрых и медленных нейтронов. Быстрыми называются нейтроны с энергиями 0,1 ÷ 50 МэВ, медленными – с энергиями < 100 кэВ. Медленные нейтроны с энергиями 0,005 ÷ 0,5эВ называются тепловыми нейтронами. Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит главным образом либо в рассеянии нейтронов на ядрах либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах-«замедлителях» быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, теряют свою энергию и становятся тепловыми. Если энергия тепловых нейтронов совпадает с энергией составного ядра, то наблюдается резонансное поглощение нейтронов. Пример:

.