18 Ядерные реакции под действием протонов

Под действием протонов идут следующие ядерные реакции: (р,α), (р,n), (p,p), (p,γ) и (р,d). Реакции (р,α) обычно бывают экзотермическими. На тяжёлых ядрах их вероятность не велика, т.к. вылету α-частицы из ядра сильно препятствует высокий кулоновский барьер. Этот барьер позволяет выходить за пределы ядра только самым быстрым α-частицам, испускание которых соответствует переходу ядра на нижние и, следовательно, наиболее редко расположенные энергетические уровни. А так как статический вес состояния определяется плотностью уровней, то отсюда и вытекает малая вероятность реакций типа (р,α). На лёгкие ядра, где кулоновский барьер невысок, это правило не распространяется. Примерами являются реакции 3Li7 (p,α)2He4 , и 3Li6 (p,α)2He3 . (43) Реакции (р,n) на стабильных ядрах всегда бывают эндоэнергетическими и имеют порог, величина которого больше 0,8 МэВ (обычно 1÷3 МэВ). Типичным примером такой реакции является реакция 3Li7 (p,n)4Ве7 , которая имеет Q=-1,65 МэВ и Емин=1,88 МэВ. Ввиду того, что при (р,n)-реакции ядро-продукт приобретает добавочный положительный электрический заряд, оно, как правило, проявляет β+ или К-активность. Вероятность реакций (р,р) сравнима с вероятностью реакций типа (р,n), если кинетическая энергия падающих протонов превышает высоту барьера. Так как вероятность испускания промежуточным ядром частиц значительно больше вероятности испускания γ-кванта, то реакция типа (р,γ) имеет очень малый выход. Однако в тех случаях, когда испускание частиц почему-либо невозможно или сильно затруднено, реакция (р,γ) приобретает большое значение. Например, когда Ер

19 Ядерные реакции под действием альфа частиц

Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 Резерфордом, который использовал в качестве бомбардирующих частиц α-частицы, испускаемые тяжёлыми α-радиоактивными ядрами. В течение длительного времени реакции под действием α-частиц были единственным известным видом ядерных реакций. Только в 1932, когда Кокрофт и Уолтон предложили способ искусственного ускорения протонов, появилась возможность изучать реакции, идущие под действием протонов и ускоренных ионов различных элементов. Под действием α-частиц α-радиоактивных ядер можно изучать ядерные реакции только на лёгких ядрах, т.к. тяжёлые ядра имеют высокий кулоновский барьер (до 25 МэВ), величина которого значительно превышает кинетическую энергию α-частиц (не более 9 МэВ). Основными видами ядерных реакций, идущих под действием α-частиц, являются реакции типа (α,р) и (α,n). Характер протекания ядерных реакций под действием α-частиц определяется двумя факторами: высотой кулоновского барьера и величиной энергии связи α-частицы в ядре. Первая открытая ядерная реакция в современной записи: 7N14+2He4 →8O17+p. (36) Эта реакция - эндотермическая (Q=-1,06 МэВ) и имеет выход 2⋅10-5 (при Eα=7,8 МэВ). Реакция поглощения тепловых нейтронов завершается излучением избыточной энергии в виде γ -квантов. Реакция 13Al27+2He4 →14Si30+p (37) экзотермическая с Q=2,26 МэВ, что приводит к образованию длиннопробежных протонов (пробег в воздухе 90 см). Выход реакции 13Al27(α,n)14Si30 ступенчато увеличивается с ростом энергии α-частиц, что свидетельствует о резонансной зависимости сечения реакции от энергии. Наличие максимумов в сечении означает, что α-частица с соответствующей энергией захватывается на один из квазистационарных уровней промежуточного ядра. Реакции типа (α, n) были открыты Чедвигом в 1932 в опытах по обнаружению нейтрона. Одной из самых известных реакций этого типа является реакция α-частиц с бериллием 4Ве9 +2He4 →6C12+n, Q=5,5 МэВ (38) которая отличается чрезвычайно большим выходом 2,5⋅104 при Еα=5,44 МэВ. Реакции типа (α,n) в отличие от реакций типа (α,p), которые, как правило, дают стабильные продукты, часто используются для получения радиоактивных изотопов Примерами таких реакций являются: 5В10+2Не4 →7Ne13+n, , 13 6 13 10, 7 N С ⎯e ⎯ →мин ⎯⎯+ (39) 2He4 +13Al27→15P30+n, . 30 14 30 5,2, 15P Si ⎯e ⎯ →мин ⎯⎯+ (40) Однако иногда реакция (α,n) может приводить к образованию стабильного ядра. Такие случаи интересны тем, что подобные реакции можно без особого труда направить на обратную сторону, используя ядра, образующиеся в прямой реакции, в качестве мишени для обратной реакции. Примером является реакция 2Не4 +5В11→7N14+n, (41) дающая стабильный изотоп 7N14. Эта реакция имеет Q=0,28 МэВ. Обратной реакцией является процесс n+7N14→7N15→5B11+2He4 , (42) для которого Q=-0,28 МэВ. Обе реакции идут через одно и то же промежуточное ядро 7N15, что позволяет определить положение его энергетических уровней.. Как уже упоминалось в предыдущей лекции, ядерные реакции с заряженными частицами (в том числе – реакция α,n) являются пороговыми, причём чем выше энергия α-частицы, тем выше сечение ядерной реакции. Однако, здесь встречаются определённые сложности. Проиллюстрируем их на примере реакции 209Bi(α,xn), т.е. реакции в которой возможно испарение нескольких нейтронов. Зависимость сечений происходящих здесь реакций от энергии α-частицы представлена на Рис. 4. Реакция начинается после достижения порога ЕS, затем сечение увеличивается с ростом энергии, т.к. сечение образования составного ядра также увеличивается. В конце концов, энергия возбуждения составного ядра становится настолько большой, что энергетически становится возможной эмиссия двух нейтронов. Этот процесс эмиссии двух нейтронов доминирует над процессом эмиссии одного нейтрона и сечение однонейтронного процесса уменьшается. После этого уже трёхнейтронный процесс доминирует над двухнейтронном.