Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной части­цей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до раестояний порядка 10~¹³ см благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица Ь и ядро У:

X + а-> V + 6.

Обычно реакции такого вида записываются сокра­щеннов виде:

X (а, 6)У. (91.1)

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сначала исходная, затем конечная.

В качестве частиц а и Ь могут фигурировать нейтрон (п), протон (р), ядро тяжелого водорода 1Н² — дейтон (с1), а-частица (а) и у-фотон (-у).

Ядерные реакции могут сопровождаться как выде­лением, так и поглощением энергии. Количествовыделяющейся энергии называется тепловым эф­фектом реакции. Он определяется разностью масс по­коя (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превосходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и тепловой эффект ее будет от­рицательным.

Как установил Н. Бор в 1936 г., реакции, вызывае­мые не очень быстрыми частицами, протекают б два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизив­шейся к ядру X на достаточно малое расстояние (та­кое, чтобы могли вступить в действие ядерные силы) посторонней частицы айв образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или ком­паунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она слагается из кинетической энергии частицы и энер­гии ее связи с ядром), за очень короткое время пере­распределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбуж­денном состоянии.

На втором этапе составное ядро испускает частицу Ь(п, р, а, у). Символически такое двустадийное проте­кание реакции (91.1) можно представить следующим образом:

Х + а-*-П-*У + &. (91.2)

Может случиться, что испущенная частица тождест­венна с захваченной (Ь = а). Тогда процесс (91.2) на­зывают рассеянием, причем в случае, если энергия частицы Ь равна энергии частицы а (Еь — Е_а), рассея­ние будет упругим, в противном случае (т. е. при ЕьфЕ_а)—неупругим. Ядерная реакция имеет .ме­сто, если частица Ь не тождественна с а.

Промежуток времени т_я, который требуется нуклону с энергией порядка 1 Мэв (что соответствует скорости нуклона ~ 10®см/сек) для того, чтобы пройти расстоя­ние, равное диаметру ядра (~10~¹² см), принимается в качестве естественной ядерной единицы вре­мени. Эта единица имеет величину:

10~¹² см ч л—21 ,_{П1 оч}

IV см/сек ^а1° ⁽⁹¹'³>

Среднее время жизни составного ядра (равное 10 ¹⁴— 10~¹² сек) на много порядков превосходит ядерное вре­мя Та. Следовательно, распад составного ядра (т. е. испускание им частицы 6) представляет собой процесс, не зависящий от первого этапа реакции, заключающе­гося в захвате частицы а (составное ядро как бы «забывает» способ своего образования). Одно и то же составное ядро может распадаться различными пу­тями, причем характер этих путей и их относительная вероятность не зависят от способа образования состав­ного ядра.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дей- тонами¹), протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодей- ств ий. Типичной реакцией прямого взаимодействия является реакция

срыва, наблюдающаяся при не- ________________________

центральных соударениях дейтона с ядром. При таких соударениях один из "нуклонов дейтона может попасть — в зону Действия ядерных сил и будет захвачен ядром, в то время как дру­гой нуклон останется вне зоны дей­ствия ядерных сил и пролетит мимо ядра.

В ядерной физике вероятностьРис. 255.взаимодействия принято характеризо­вать с помощью так называемого эффективного сечения а. Смысл этой величины заключается в сле­дующем. Пусть поток частиц, например нейтронов, па­дает на мишень, настолько тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (рис. 255). Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением а, а падающие частицы — твердыми шариками с исчезай­те малым сечением, то вероятность того, что падающая частица заденет одно из ядер мишени, была бы равна

Р = опб,

где п— концентрация ядер, т. е. число их в единице объ­ема мишени, 6 — толщина мишени (опб определяет от­носительную долю площади мишени, перекрытую ядра­ми-шариками) .

Предположим, что плотность падающих частиц¹) равна N. Тогда количество претерпевших столкновения с ядрами частиц АN будет равно

АЛ' = NР = NопЬ. (91.4)

Следовательно, определив относительное количество ча­стиц, претерпевших столкновения, ДЛ^/М, можно было бы вычислить поперечное сечение а = пг² ядра по формуле

^М (91.5)

Ыпб

В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками. Одна­ко по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для характеристики вероятности взаимодействия берут величину а, определяемую формулой (91.5), в которой под подразумевают не число столкнувшихся, а чис­ло провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называется эффективным сечением для данной реакции (или процесса).

В случае толстой мишени поток частиц будет по мере прохождения через нее постепенно ослабевать. Разбив мишень на тонкие слои, напишем соотношение (91.4) для слоя толщины йх, находящегося на глубине х от поверхности:

йК1 = — N (л;) ап йх,

где М(х) — поток частиц на глубине х. Мы поставили справа знак минус, чтобы можно было рассматри­вать как приращение (а не ослабление) потока на пу­ти йх. Интегрирование этого уравнения приводит к со­отношению:

N (б) =

в котором — первичный поток, а N(6)—поток на глубине б. Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при прохождении их через мишень толщины б, можно определить сечение взаимодействия по формуле:

В качестве единицы эффективного сечения ядерных процессов принят барн:

1 барн= Ю~^м см². (91.7)

Первая ядерная реакция была осуществлена Резер- фордом в 1919 г. При облучении азота а-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид:

₇Ы»(<х, р)₈0¹⁷.

Резерфорд воспользовался для расщепления атом­ного ядра природными снарядами — а-частицами. Ядер­ная реакция, вызванная искусственно ускоренными ча­стицами, была впервые осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью так называемого умно­жителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 Мэв и наблюдали реакцию:

_гиЦр, а) ₂Не⁴.

В дальнейшем по мере развития техники ускорения заряженных частиц множилось число ядерных превра­щений, осуществляемых искусственным путем.

Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами. В отличие от заряженных частиц (р, й, а) нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания, вследствие чего они могут проникать в ядра, обладая весьма малой энергией. Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить тем, что чем меньше скорость нейтрона, тем больше время, которое он проводит в сфе­ре действия ядерных сил, пролетая вблизи ядра, и, сле­довательно, тем больше вероятность его захвата. По­этому многие эффективные сечения изменяются как 1/о сх>Е~¹<к Однако часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии Е_г. В ка­честве примера на рис. 256 приведена кривая зависи­мости сечения захвата нейтрона ядром 1Л²³⁸ от энергии нейтрона Е. Масштаб по обеим осям — логарифми­ческий. В этом случае зависимость о сэЕ~^1/* изобра­жается прямой линией, описываемой уравнением: 1п а = = сопз1— '/г Как видно из рисунка, кроме областиэнергий вблизи 7 эв ход 1п о с 1п5 действительно бли­зок к прямолинейному. При Е = Е_г = 7 эв сечение за­хвата резко возрастает, достигай 23 000 барн. Вид кри­вой указывает на то, что явление имеет резонансный ха­рактер. Такое резонансное поглощение имеет место

> когда энер­гия, привносимая нейтро­ном в составное ядро, в точности равна той энер­гии, которая необходима для перевода составного ядра на возбужденный энергетический уровень (рис. 257). Подобным же образом для фотонов, энергия которых равна разности энергий между первым возбужденным и основным уровнями атома, ве­роятность поглощения особенно велика (резонансное поглощение света; см. § 85).

Интересна реакция

₇Ы"(«, р)_вС»

которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возни­кающий при этом углерод ₆С¹⁴ ■ называется радиоуглеродом, . так как он р~-радиоактивен, его период полураспада со­ставляет около 5600 лет. Ра­диоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и уча­ствует в круговороте веществ в природе. Количество возни­кающих в атмосфере в едини­цу времени ядер радиоугле­рода АМ+ в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер про­порционально числу имеющихся ядер

АЫ- = кМ.

Так как период полураспада очень велик, устанавли­вается равновесная концентрация ядер С¹⁴ в обычном

 

углероде, отвечающая условию:

или АN₊ = кN.

Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная кон­центрация С¹⁴ в различных местах земного шара оди­накова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода. Пока органическое веще­ство живет, убыль в нем С¹⁴ из-за радиоактивности вос­полняется за счет участия в круговороте веществ в при­роде. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекращается и концентрация С¹⁴ в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию С¹⁴ в останках организмов (в древесине, костях и т. п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно определен историческими мето­дами, дала вполне удовлетворительные результаты.

39. Радіоактивність. Альфа-, бета-, гама-випромінювання атомних ядер.

 

40. Термоядерні реакції