1.4. Ядерные реакции (), (), (), ().

Захват нейтронов ядрами (М) с зарядовым числом Zи массовым числом А часто приводит к ядерным реакциям, в результате которых возникает явление искусственной радиоактивности.

Радиационный захват нейтрона (). Согласно Ферми полное эффективное сечение этого процесса обратно пропорционально скорости нейтронов:

.

Из этого видно, что подобные реакции эффективно протекают под действием медленных нейтронов:

Возникающее ядро радиоактивно, т.к. отношение числа нейтронов к числу протонов в нем увеличивается. Это ядро переходит в стабильное состояние за счет-распада:

(антинейтрино).

Реакции с образованием протонов ().

Образованные ядра обычно радиоактивны, протекают они, как правило, с участием быстрых нейтронов (E_n>1МэВ). Лишь на легких ядрах они могут протекать и под действием тепловых нейтронов, когда потенциальный барьер, препятствующий вылету протона, относительно низок, например, на ядре:

Конечный продукт идентичен первоначальному изотопу мишени. Реакции этого типа протекают в верхних слоях атмосферы.

Реакции с образованием -частиц ().

(-нейтрино)

Такие реакции при малых энергиях нейтронов идут только на легких ядрах, на тяжелых требуются большие Е_n. Характерным примером является реакция на ядрах:

Реакции с образованием двух (или большего числа) нуклонов (), (), ().

Это пороговые реакции, которые идут при энергии нейтронов Е_n>10МэВ, и вероятность которых растет с ростом Е_n:

например:

В этих реакциях часто возникают радиоактивные ядра с увеличенным процентным содержанием протонов. Их переход в стабильное состояние сопровождается -распадом:

.

1.5. Реакции деления (n,f).

k=2÷3

На некоторых тяжелых ядрах эта реакция может протекать под действием быстрых (Е_n>1МэВ) нейтронов, на других – под действием тепловых нейтронов (Е_n≈0.025эВ).

1.5.1. Энергия отделения нейтрона.

Ядро – система связанных нуклонов и чтобы его разделить на составные части (нуклоны) надо затратить энергию связи ядра W(A,Z):

W(A,Z)=(Zm_pc²+Nm_nс²) - M(A,Z)c²

M,m_n,,m_p– масса ядра, нейтрона и протона соответственно,с – скорость света, Z, N – число протонов и число нейтронов в ядре,A– массовое число (суммарное число нуклонов в ядре).

Энергия отделения нейтрона B_n равна:

B_n=M(A-1,Z)c²+m_nc²-M(A,Z)c²=W(A,Z)-W(A-1,Z)-W(1,0)=[W(1,0)=0]=W(A,Z)-W(A-1,Z).

Энергия отделения протона B_p:

B_p=M(A-1,Z-1)c²+m_pc²-M(A,Z)c²=W(A,Z)-W(A-1,Z-1)-W(1,1)=[W(1,1)=0]=W(A,Z)-W(A-1,Z-1).

И для вырывания любой частицы X(a,z):

B_x=W(A,Z)-W(A-a,Z-z)-W(a,z); W(a,z)≠0.

W(A,Z)тем больше, чем большеA. Для рассмотрения этих процессов удобно использовать удельную энергию связи:

.

Для стабильных и наиболее долгоживущих тяжелых элементов (послеА=20) изменяется относительно слабо (рис.7) и≈8±1МэВ:

Рис.7.Зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа (А).

Для сравнения: на разрыв химической связи (электромагнитные силы) нужна энергия ~в 10⁶раз меньшая. С точки зрения запаса энергии 1г ядерного топлива соответствует ~ 1т химического элемента. Эту энергию можно получить либо при синтезе легких ядер, либо при делении тяжелых ядер. В обоих случаях совершается переход к ядрам, в которыхбольше и часть энергии связи при этом высвобождается.

Если разделить ядро с А≈240 (≈7,6МэВ) на 2 осколкаА₁=А₂=120 (≈8,5МэВ), то освободится энергия≈240 · (8,5-7,6)МэВ≈220МэВ. Значенияхарактеризуют величину сильного (ядерного) взаимодействия. Для сравнения: энергия гравитационного взаимодействия 2-ухнуклонов в ядре:

<Z_NN>=2Фм,G=1,3*10^-42Фм*с⁴/МэВ

где с-скорость света,G-гравитационная постоянная.

Кулоновская энергия 2-ух протонов внутри ядра , т.е. примерно, в 10 раз меньше ядерной.