Ядерные реакции

Ядерные реакции — это превращения ядер при их взаимодействии с элементарными частицами, ү-квантами или друг с другом. Ядерные реакции совершаются с выделением энергии (если образовавшееся ядро имеет большую энергию связи на частицу) и с поглощением энергии (если продукты реакции имеют меньшую энергию связи на частицу, чем исходное ядро). Ядерные реакции, происходящие с выделением энергии, называют экзоэнергетическими, с поглощением энергии носят название эндоэнергетических. Вследствие большой энергии связи частиц в ядре (см. Ядро атомное) при ядерных реакциях выделяется энергии примерно в 106 раз больше, чем при химических реакциях. Эндоэнергетические реакции осуществляются, если энергия бомбардирующей частицы больше пороговой энергии Е для данного вида реакции. Вероятность осуществления данной реакции характеризуется поперечным сечением σ — вероятностью превращения одного ядра в результате данной ядерной реакции под действием одной частицы, падающей на 1 см2 поверхности мишени, и численно равна поперечному сечению ядра, σ измеряется либо в квадратных сантиметрах, либо в барнах, равных 10-24 см2 (истинное поперечное сечение ядра равно пr2 и по порядку величины равно 10-24 см2). Другой характеристикой ядерных реакций является выход W — отношение числа актов данной ядерной реакции к числу попавших на мишень частиц.  Ядерные реакции хорошо описываются моделью составного ядра, согласно которой они протекают в две стадии: сначала частица захватывается ядром и образуется возбужденное промежуточное, или составное, ядро. За время, большее по сравнению с временем, необходимым для пролета частиц через ядро, бомбардирующая частица вследствие большого количества соударений (больше 106) передает свою энергию всем частицам ядра, так что происходит достаточно равномерное распределение ее по отдельным нуклонам (температура ядра повышается). Если вследствие флюктуаций энергия одного из нуклонов станет в какой-то момент больше его энергии связи, то этот нуклон покинет ядро. Так, например, при реакции N147 (n, p) C146 сначала образуется составное ядро N147, которое затем распадается с испусканием протона. Правильность этой концепции подтверждается тем, что угловое и энергетическое распределение вылетевших частиц определяется только свойствами составного ядра, а также тем, что типы и вероятности распада данного составного ядра не зависят от способов его образования в результате бомбардировки различными частицами. Например, составное ядро Br82 всегда распадается следующими путями: Br82 → Br82+ү; Se81+p; As78+α; Br80+2n, независимо от способов его получения. Ядро представляет квантово-механическую систему, состоящую из нуклонов, которая, подобно атому, может находиться в состояниях с определенной энергией. Эти уровни энергии Е определяются коллективным движением нуклонов (см. Ядро атомное). С увеличением энергии возбуждения ядер Eb энергетические уровни E и их ширина Г возрастают, а расстояния между соседними уровнями уменьшаются, поэтому роль отдельных уровней составного ядра сказывается только при малых энергиях возбуждения Eb в легких ядрах.



При малых энергиях частиц, когда волновые свойства играют существенную роль, при взаимодействии с ядром наблюдается явление резонанса (аналогичное резонансу при поглощении света), заключающееся в резком возрастании σ при значениях совпадающих с каким-либо уровнем составного ядра (см. Нейтрон, Нейтронное излучение). Наиболее отчетливо все закономерности протекания ядерных реакций наблюдаются при взаимодействии с нейтронами, так как кулоновский барьер не препятствует проникновению их в ядро. Для Eb резонансных энергий наблюдаются резкие максимумы для узких интервалов энергии нейтронов. При увеличении Е уровни составного ядра перекрываются и резонансное поглощение частиц отсутствует, так как взаимодействие частиц обусловлено в этом случае всеми уровнями ядра; волновые свойства частиц перестают играть роль. В этом случае σ мало отличается от геометрического сечения ядра πr2. Если Eb при захвате частиц меньше энергии связи нуклона в ядре Ecb, то наблюдается только реакция радиационного захвата с испусканием ү-квантов (n, ү), (p, ү). При больших энергиях существенную роль играет конкуренции отдельных видов распада составного ядра. При этом σi (Е) для отдельных видов распада имеет плавные максимумы.

При ядерной реакции с заряженными частицами р, d, α, t и др. существенную роль играет кулоновский барьер, который возрастает с увеличением Z ядра и заряда частиц.

При бомбардировке нейтронами образуются, как правило, β--активные ядра вследствие избытка в них нейтронов (см. Радиоактивность), за исключением реакции (h, α) и (n, 2n). При бомбардировке протонами образуются β+-активные ядра.

Большинство изотопов для исследовательских медицинских целей получают путем облучения нейтронами по реакции (n, ү). Реакции с α-частицами сходны с реакциями под воздействием протонов. При реакциях (α, n) образуются β+-активные ядра, при реакциях (α, p) — стабильные ядра. Выходы для реакций с α-частицами меньше, чем для реакций с протонами. Все остальные закономерности для σ от E качественно остаются такими же, как и для р. Ядерные реакции с дейтонами имеют ряд существенных особенностей. С помощью реакций с дейтонами d получают большое количество радиоактивных изотопов: Na24, Р32, J131, Br82, Cu64 и др., так как α-частицы легче ускорить, чем р, и эти реакции обладают большими выходами. Реакции, идущие под воздействием ү-квантов, называют фотоядерными; они наблюдаются, только когда энергия ү-кванта больше энергии связи частиц в ядре, и служат для определения этих энергий. Изучены реакции с тритонами — ядрами трития типа (t, α) и (t, n) на легких ядрах. Термоядерные реакции указанного типа протекают при взрыве водородных бомб.



В последние годы осуществлены ядерные реакции под воздействием многозарядных ионов. Например, Li6 (Li6, α) В10; С1212, α) Ne20. При бомбардировке ядер многозарядными ионами наблюдаются реакции с передачей нейтрона: Mg24 (N14, N13) Mg25 и др. При больших энергиях бомбардирующих частиц (>100 Мэв) наблюдается последовательное испускание (испарение) нуклонов и легких частиц d, a, t с энергией 10—15 Мэв из сильно возбужденного ядра, а также распад ядра на отдельные части, состоящие из нескольких нуклонов (образование звезд). При очень больших энергиях (порядка 1000 Мэв) наблюдается полное расщепление ядра на отдельные нуклоны. При увеличении энергии до 100 Мэв и выше длина волны нуклона X становится меньше поперечника нуклона, и поэтому наблюдается взаимодействие бомбардирующих частиц с отдельными нуклонами ядра, вследствие чего ядро становится частично прозрачным и его полное σ становится меньше геометрического. При расщеплении ядер на отдельные осколки бывает трудно идентифицировать их. Процессы расщепления ядер частицами сверхвысоких энергий играют существенную роль в космических лучах. При сверхвысоких энергиях ядерные реакции протекают с образованием новых частиц: мезонов, гиперонов, антипротонов, антинейтронов и др., которые образуются при взаимодействии бомбардирующих частиц с отдельными нуклонами.