−

следует рассматривать как превращение одного из нейтронов ядра в

протон, электрон и антинейтрино: n → p + e + ν.

При этом порядковый номер ядра увеличивается на единицу, а массовое

число остается постоянным, т.к. me << mp. Например,

19 K40 →20 Ca40 +β− +ν) +1,3 МэВ.

Аналогично позитронный β+ − распад

Z XA →Z−1YA +β+ +ν

следует рассматривать как превращение протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино:

p → n +β+ + ν .

Такое превращение может происходить только в ядре, т.к. в свободном состоянии протон – стабильная частица.

При таком распаде массовое число не изменяется, а заряд ядра уменьшается на единицу. Например,

6 C11→5B11 +β+ +ν+0,931МэВ.

В третьем типе β-распада – электронном захвате – материнское ядро с избытком протонов захватывает орбитальный электрон из атомных оболочек. По-

сле захвата, как и в позитронном распаде, один протон превращается в нейтрон: p +e → n +ν.

Электронный захват обозначают, как и оболочку: К – захват, L – захват и т.д. Уравнение электронного захвата

Z XA n→Z−1YA ,

где n – обозначение оболочки, например,

4 Be7 K→3 L7 .

Энергия К – захвата ЕР = 0,864 МэВ.

7.3.ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

7.3.1.Уравнение ядерной реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, происходящие в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом. Обычно ядерная реакция вызывается бомбардировкой ядер мишени

ZXA потоком ускоренных частиц: α-частиц, протонов, электронов, нейтронов и т.д. В результате интенсивного взаимодействия исходного ядра и налетающей частицы а образуется новое ядро Z1YA1 и некоторая частица b, разлетающиеся в разных направлениях. Ядерную реакцию, как и химическую, обычно записывают в виде уравнения

−

Впервые ядерную реакцию осуществил Э.Резерфорд в 1919 г., бомбардируя ядра азота α-частицами. α-частицы с энергией 7,7 МэВ проникали в ядра азота и вызывали ядерные реакции, в результате возникали ядра кислорода 8О17 и протоны. Это было первым подтверждением, что протоны входят в состав ядра. Уравнение реакции:

7 N14 + α →8 O17 + P, или 7 N14 (α, P) 8O17 .

7.3.2. Законы сохранения в ядерных реакциях

В ядерных реакциях выполняются те же законы сохранения, что и при радиоактивном распаде: законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, количества нуклонов, спина.

Запишем закон сохранения энергии в реакции Z XA (a, b)Z1 Y A1 , учитывая,

что полная энергия ядер и частиц равна энергии покоя и кинетической энергии:

МЯ(Z,A)c2 + mac2 + K + Ka = MЯ(Z1,A1 )c2 + mbc2 + K1 + Kb .

энергии покоя ядра мишени и бомбардирующей частицы в кинетическую энергию продуктов реакции. Примером такой реакции является 5 В10 (n, α)3 Li7 ,

для которой Q ≈ 2,8 МэВ.

Реакции, которые могут осуществляться только с поглощением энергии Q < 0, называются эндотермическими. Такая реакция становится возможной лишь при некоторой минимальной энергии налетающей частицы, которая называется пороговой энергией данной эндотермической реакции:

7.3.3. Составное ядро

В 1936 г. Бор дал теоретическое объяснение ядерной реакции на основе составного (промежуточного) ядра. Эта теория хорошо объясняет ядерные превращения до энергий частиц 50 МэВ. По этой теории ядерная реакция проте-

кает в два этапа. На первом этапе ядро ZAA захватывает частицу а. В результате образуется составное ядро С в возбужденном состоянии Z XA + a → C * .

Энергия возбуждения быстро равномерно распределяется между нуклонами. Многочисленные столкновения между нуклонами могут затем привести к пере-

кое длительное существование составного ядра делает процесс его распада независимым от первого этапа реакции – захвата частицы а. Поэтому составное ядро может распадаться различными путями. С учетом составного ядра уравнение ядерной реакции будет

Z XA + a → C* →Z1 Y A1 + b .

7.3.4. Типы ядерных реакций

Реакции под действием α-частиц. При изучении реакции (α, b) были получены первые сведения о строении ядра. С помощью естественных α- излучателей (например, 88Ra226) были установлены некоторые закономерности протекания ядерных реакций. Кроме первой реакции 7 N14 (α, P) 8O17 были открыты и другие, важные для ядерной физики реакции. Так, в 1932 г. Д.Чедвику с помощью реакции 4 Be9 (α, n) 8C12 удалось открыть нейтрон. Реакция

типа (α, n) до настоящего времени используется в качестве лабораторных источников нейтронов, например, полоний-бериллиевые источники (Ро – Ве). В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри с помощью реакции (α, n) открыли явление искусственной радиоактивности. При облучении α-частицами 13Al27 образуется радиоактивный фосфор с периодом полураспада 2,5 мин. Реакция эта идет по схеме

(Р, γ), (Р, n), (Р, α). Для осуществления этих реакций используют ускорители заряженных частиц. В реакциях (Р, γ) ядро мишень захватывает протон, образуется составное ядро в возбужденном состоянии, которое переходит в нормальное с испусканием γ-кванта. Этот тип реакций называют радиационным

3 Li7 (P,n) 4Be7; 5B11(P, n) 6C11 и др.

Реакция с ядрами 3Li7 является исторически первой реакцией, осуществленной в 1932 г. Д.Кокрофтом и Э.Уолтоном с искусственно ускоренными

−

протонами. Ядро 3Li7 под действием протонов расщеплялось на две α- частицы. Это экзотермическая реакция с энергией Q = 17,3 МэВ. На этой реакции было проверено соотношение Эйнштейна: E = mc2.

Реакция под действием дейтронов. Дейтрон состоит из протона и нейтрона. Слабая связь между ними (ЕСb = 2,225 МэВ) обуславливает особенности протекания реакций (d, b). Ядерная реакция может идти как через составное ядро, так и без образования составного ядра. При небольших энергиях нейтрон отрывается от протона и проникает в ядро – мишень. В результате идет прямая реакция (d, Р), при которой происходит захват нейтрона и освобождение протона:

Z XA + d →Z YA+1 + P.

Пример таких реакций:

Cu63 (d,P)Cu64 ; P31(d,P)P32 .

Реакции под действием нейтронов. Нейтрон является нейтральной частицей и может свободно проходить внутрь любого ядра от легкого до тяжелого. Каждый нейтрон при этом приносит в ядро энергию 7÷8 МэВ. Возникающее при этом составное ядро оказывается возбужденным и испытывает распад различными способами, в зависимости от степени возбуждения. Реакции, вызываемые нейтронами, подразделяются на следующие: упругое рассеяние (n, n); неупругое рассеяние (n, r); радиационный захват (n, γ); расщепление с вылетом заряженных частиц (n, P); (n, d), например, последняя реакция используется для

регистрации нейтронов − 5 B10 (n,α) 3Li7 реакции типа (n, 2n), реакции деления.

Ядерный фотоэффект. Поглощение ядром γ-кванта может вызвать реакции (γ, n) и (γ, P). Эти реакции называют ядерным фотоэффектом. Примеры таких реакций: 8 O16 (γ,n) 8O15; 12Mg24 (γ, n)12Mg23; 12Mg26 (γ,P) и др.

7.3.5. Трансурановые элементы

Природные элементы заполняют периодическую таблицу Менделеева до урана (Z = 92). Химические элементы, расположенные за ураном, называют трансурановыми. Все они радиоактивны и получены искусственным путем с помощью ядерных реакций. Первый изотоп с порядковым номером Z = 93

Полученный изотоп был назван нептунием. В настоящее время известно 107 трансурановых элементов, полученных с помощью ядерных реакций.