Лекция №31. Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность. Элементарные частицы.
I.Искусственная радиоактивность.
Ядра атомов нельзя разрушить ни нагреванием до многих тысяч градусов, ни охлаждением до самых низких температур. Для разрушения ядер нужны значительные затраты энергии. Как же это осуществить?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо уяснить смысл ядерных реакций.
|
Ядерная реакция |
Взаимодействие частицы или γ-кванта с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или γ-квантов. |
Пример: 
Для осуществления ядерной реакции необходимо сближение частиц, вступающих в ядерную реакцию, до расстояния, на котором действуют ядерные силы (≈ 10-13см). Вероятность взаимодействия частицы с ядром зависит от энергии бомбардирующих частиц. Используя представления, развитые впервые датским физиком Н. Бором можно рассмотреть ядерные реакции, протекающие:
а) при не очень высоких энергиях бомбардирующих частиц.
Здесь реакции протекают в два этапа: сначала происходит поглощение частицы ядром и образование возбужденного промежуточного или составного ядра. Вследствие сильного взаимодействия между частицами, составляющими ядро, привнесенная энергия распределяется между всеми нуклонами ядра. На долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая величины удельной энергии связи и они не могут покинуть ядро. В промежуточном ядре нуклоны при взаимодействии обмениваются друг с другом энергией и статически (случайно) на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра. Интервал времени порядка 10 –12с.
б) при энергиях в несколько десятков МэВ и выше.
Здесь кроме реакции промежуточного ядра наблюдаются и "прямые реакции" за время порядка 10 -21с. Результатом такой реакции может быть выбивание из ядра нуклона.
Подводя итог рассмотренному вопросу можно сказать, что при ядерных реакциях из изотопов одних элементов получаются новые изотопы, причем одни из них получаются совершенно устойчивыми (неограниченный срок существования), а другие менее устойчивы и называются искусственно полученными радиоактивными веществами.
Явление искусственной радиоактивности было впервые открыто в 1934 году Ирен и Фредриком Жюли-Кюри при изучении действия α-частиц на атомы различных элементов. Они обнаружили, что из алюминия, облученного α-частицами получается радиоактивный изотоп фосфора:
Радиоактивный фосфор распадается:
(T= 135,6 с)
Супругами Жюли-Кюри удалось обнаружить образование и других радиоактивных изотопов:
(Т = 4,92 с)
(Т
= 4,29 с)
Открытие Жюли-Кюри имело большое значение
т.к. до него были вообще неизвестны
легкие радиоактивные элементы, и был
неизвестен позитронный радиоактивный
распад
.
Последующие опыты по бомбардировке
атомных ядер стабильных изотопов
-частицами,
,
и другими частицами показали, что
искусственные радиоактивные изотопы
могут быть получены у всех без исключения
элементов. Общее число искусственно
полученных изотопов превышает 1000.
Интересным является и то обстоятельство,
что вновь полученные искусственные
изотопы заняли имевшиеся пустые места
в периодической системе Менделеева (а
в природе найдены не были).
Пример:N43 –Tc(технеций)
N61 –Pm(прометей)
N85 –At(астатин)
N87 –Fr(фраций)
α-частицы были первыми агентами, с помощью которых удалось получить искусственное превращение атомных ядер. В результате ядерных реакций образуются новые атомные ядра элементов, у которых по сравнению с исходными ядрами имеет место значительное изменение Ζ, М и массы. Поэтому при написании ядерной реакции нужно помнить, что независимо от вида реакции для Z,Mи массыmдолжен иметь место закон сохранения суммарныхZ,Mиmчастиц, участвующих в реакции. Для пояснения этого положения запишем несколько видов ядерных реакций:
1. Ядерные реакции под действием α-частиц:
2. Ядерные реакции под действием протонов:
3. Ядерные реакции под действием нейтронов:
4. Ядерные реакции под действием γ-квантов:
при больших энергиях γ-квантов наблюдаются фотоядерные реакции:
(γ, n), (γ,p), (γ, 2n), (γ,np).
Нужно помнить также, что для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы произошло столкновениеядерной частицы с атомным ядром. Для характеристики вероятности ядерной реакции вводится понятиеэффективностьилиэффективное сечение ядерной реакции.
|
Эффективное сечение σ |
Вероятность реакции для одной налетающей частицы в куске вещества. |
,
где N– число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объемаnядер;
dN– число частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщинойdx.
Эффективное сечение имеет размерность площади; единица σ – барн (1 барн = 10-28 м2).