25
3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Процесс перестройки ядра, возникающий под действием , и
-лучей, ядерных частиц или других ядер, сопровождаемый генераци-
ей новых ядер и частиц, называется ядерной реакцией.
В лабораторных условиях ядерные реакции в основном осуществля-
ются при бомбардировке мишени нужного вещества пучками ядерных частиц или ядер в целом, в результате чего ядра мишени и бомбардирующие ядра сближаются до расстояний порядка 10-15 м, когда начинают прояв-
ляться ядерные силы сильного взаимодействия.
Применяется следующая символика ядерных реакций
X + а Y + b или X (a, b)Y, |
(3.1) |
где а – частица пучка, Х – ядро мишени, b – вылетающая частица, Y – конечное ядро (продукт).
Ядерные реакции происходят при обязательном выполнении законов смещения (о них мы вели речь выше), а также других законов сохранения:
полной энергии, импульса, момента импульса и др.
Реакция может протекать в две стадии: при налетании частицы а на ядро Х образуется составное ядро П, а затем это возбужденное ядро ис-
пускает частицу b |
|
X + а П Y + b |
(3.2) |
Если испущенная частица b тождественна с захваченной частицей а,
то этот двухстадийный процесс называют рассеянием. Рассеяние является упругим, если энергии частиц а и b равны, и неупругим, если энергии частиц а и b отличаются.
Собственно ядерная реакция происходит в том случае, если частицы
аи b не тождественны.
3.1.Класификация ядерных реакций
Ядерные реакции подразделяют на классы, группы по различным признакам:
1 – в зависимости от природы бомбардирующих частиц
Реакции под действием -частиц. Пример реакций:
105 B 24He 137 N 01n; |
49 Be 24He 126 C 01n . |
26
Реакции под действием протонов. Пример реакции:
73 Li 11p 74 Be 01n
Реакции под действием дейтронов. Пример реакций:
2 H |
2 H |
3 H |
1p ; |
2 H |
2 H |
3 He |
1n . |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
0 |
Реакции под действием нейтронов. Пример реакции:
147 N 01n 146 C 11p .
2 – в зависимости от характера превращения.
Реакция деления. Пример реакции:
23592 U 01n 14054 Xe 9438Sr 2 01 n
Реакция синтеза. Пример реакции:
2 H |
3 H |
4 He |
1n ; |
2 H |
2 H |
3 He |
1n . |
1 |
1 |
2 |
0 |
1 |
1 |
2 |
0 |
Кроме того, разделяют ядерные реакции, идущие на легких, средних или тяжелых ядрах (зависимость от массового числа А), с выделением или поглощением энергии (эндо- или экзотермические реакции) и т.д.
3.2. Сечение ядерной реакции
Для того чтобы произошла ядерная реакция, нужно столкнуть бом-
бардирующую частицу и ядро-мишень.
Для количественной характеристики вероятности такого столкнове-
ния и осуществления последующей реакции вводится особая величина –
эффективное сечение реакции (иногда говорят просто сечение реакции).
Сечение реакции характеризует ее "выход" на одну бомбардирующую частицу.
Предположим, что за единицу времени на единицу площади попереч-
ного сечения слоя вещества толщиной dx, содержащего N0 ядер мишени в единице объема, падает поток из n бомбардирующих частиц. Тогда число частиц dn, вступивших в реакцию, можно выразить формулой
dn n N0 dx |
(3.3) |
27
Величина , имеющая размерность м2, и есть сечение реакции. Ис-
торически сложилось, что сечение реакции измерялось в барнах
1 барн =10 24 cм2 10 28 м2
Так как число провзаимодействовавших частиц зависит от типа реак-
ции, то говорят о сечении реакции деления, сечении реакции синтеза,
сечении реакции захвата и т. д.
Нужно иметь в виду, что сечение реакции не есть буквально геометрическое поперечное сечение ядра мишени, хотя по порядку величины оно и совпадает с последним. Вероятность осуществления ядерной реакции зависит от типа реакции, от вида энергии бомбардирующей частицы, типа ядер мишени и т.д. Для некоторых частиц в узком интервале энергии сечение реакции может резко возрастать – возникает явление резонанса (рис. 4). Такое сечение называется резонансным (для данной реакции).
E
Рис. 4. Зависимость сечения от энергии Е частицы-снаряда
Таблица 3.1
Сечение поглощения нейтронов некоторых ядер мишени
Изотоп мишени |
Сечение, барн |
|
|
31 |
0,19 |
15P |
|
2713Al |
0,230 |
19779 Au |
98,0 |
6 B (смесь изотопов) |
769,0 |
48Cd (смесь изотопов) |
2550,0 |
28
3.3. Энергия реакции
Закон сохранения энергии, выполняющийся при осуществлении
ядерной реакции типа (3.1), может быть записан в виде |
|
|
||||
|
|
E1 E2 , |
|
|
(3.4) |
|
где E1 – энергия бомбардирующей частицы и конечного ядра-мишени до |
||||||
реакции; |
E2 – энергия вылетающей частицы и конечного ядра. |
|
||||
В развернутом виде закон сохранения энергии имеет вид |
|
|||||
|
E01 T1 |
E02 |
T2, |
|
(3.5) |
|
где E01 Мx c2 ma c2 ; |
E02 |
Мy c2 mb c2 есть энергия покоя |
||||
объектов реакции, а выражения |
|
|
|
|
|
|
|
T1 Tx Ta ; T2 Ty Tb |
|
|
|||
являются кинетической энергией объектов реакции. |
|
|
||||
В общем случае E01 не равно E02 . Разность E01 |
E02 называется |
|||||
энергией реакции Q |
|
ma c2 My c2 |
mb c2 |
|
||
|
Q E01 E02 Mx c2 |
(3.6) |
||||
Ясно из (3.6), что |
|
|
|
|
|
|
|
Q E01 |
E02 |
T2 T1 |
|
(3.7) |
|
Если |
Q > 0 , то реакция называется |
экзотермической. Выделение |
||||
энергии |
происходит за счет |
уменьшения энергии покоя в виде кинети- |
||||
ческой энергии вылетающих частиц и, возможно, конечного ядра. |
|
|||||
Если Q < 0, то реакция сопровождается возрастанием энергии покоя за счет уменьшения кинетической энергии. Реакцию называют эндотер-
мической.
Если Q = 0 , то T1 T2 и E01 E02 , т. е. в этом случае кинетическая энергия, энергия покоя, а значит и массы частиц равны. Такая реакция на-
зывается процессом упругого рассеяния.
Примером экзотермической реакции служит реакция синтеза
21 H 31H 42 He 01n ,
при которой выделяется энергия Q = 17,6 МэВ (что составляет около
3.5 МэВ на нуклон).