Лекция № 9 Ядерные реакции
Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра.
Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы «а» с ядром Х, в результате чего образуется легкая частица «b» и ядро Y
.
Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется тепловым эффектом реакции. Он определяется разностью масс покоя исходных и конечных ядер (массы выражаются в энергетических единицах).
В настоящее время известны следующие типы ядерных реакций:
Реакция захвата, заключающаяся в объединении двух встретившихся частиц;
Реакция обмена, заключающаяся в захвате одной частицы и выбрасывании другой;
Реакция деления или расщепления ядра под воздействием энергии, полученной ядром в той или иной форме;
Реакция рассеяния, заключающаяся в том, что, под воздействием бомбардирующих частиц, ядро испускает частицы того же типа, что и бомбардирующие.
Как установил Н.Бор в 1936г., реакции, вызванные не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру «Х» на достаточное расстояния посторонней частицы «а» и в образовании промежуточного ядра «П», называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, принесенная частицей «а», перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии.
На втором этапе составное ядро испускает частицу «b». Символически такое протекание ядерной реакции в две стадии можно представить следующим образом
.
Может случиться,
что испускаемая частица, окажется
тождественной с захваченной (т.е.
).
Такой процесс называется рассеянием.
Если энергия частицы «а » равна энергии
частицы «b»,
то рассеяние будет упругим.
Если же они не равны, то рассеяние будет
неупругим.
Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий.
Рассмотрим перечисленные типы реакций более подробно.
При реации захвата происходит застревание налетевшей частицы в ядре. Ядро возбуждается и испускает избыток энергии излучая γ – лучи. Примером такой реакции может служить реакция захвата нейтронов кадмием или фосфором
.
При реакции обмена налетевшая на ядро частица также застревает в ядре. Оно в свою очередь выбрасывает другую частицу и превращается в ядро другого элемента. Примером такой реакции может служить реакция превращения азота в кислород
и реакция получения нейтрона
.
Этот тип реакции имеет широкое применение в устройствах, служащих для получения нейтронов.
При реакции рассеяния ядро испускает частицу, тождественную с налетевшей. Различают два вида реакций рассеяния: упругое и неупругое рассеяние.
Упругое рассеяние. При этом типе рассеяния суммарная кинетическая энергия взаимодействующих частиц не меняется.
Неупругое рассеяние. При этом типе рассеивания суммарная кинетическая энергия соударяющихся частиц уменьшается, и разность энергий излучается в виде энергии γ- фотона.
Примером упругого рассеяния может служить рассеяние нейтронов углеродом, которое используется в ядерных реакторах для замедления нейтронов
.
Примером неупругого рассеяния может служить процесс, происходящий при соударении быстрого нейтрона с ядром урана 238
.
Наиболее широкое практическое применение получила реакция деления, на рассмотрении которой мы остановимся несколько позже.
Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919г. При облучении азота α–частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид
.
Ядерная реакция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была впервые осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью умножителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 МЭВ и наблюдали реакцию
.
В дальнейшем, по мере развития техники ускорения заряженных частиц, множилось число ядерных превращений, осуществляемых искусственным путем.
Практически наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от других заряженных частиц, нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания и поэтому могут проникать в ядра, обладая очень малой энергией.
В атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами, происходит реакция
.
Возникающий при этом углерод радиоактивен. Его период полураспада – 5600 лет. Он усваивается растениями и участвует в круговороте веществ в природе. Пока органическое вещество живет, убыль в нем углерода восполняется за счет круговорота веществ в природе. В момент смерти организма процесс усвоения углерода сразу же прекращается, а его количество начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив его концентрацию в останках организмов (древесине, костях и т.д.) можно определить дату их смерти. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен исторически, дала вполне удовлетворительные результаты.