Ядерні реакції класифікують за видом. Класифікація та механізми ядерних реакцій

Турчина Н.В. Фізика в задачах для вступників до вузів - М .: Онікс, 2008. - 768 c.
ISBN 978-5-94666-452-3
завантажити (Пряме посилання) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Попередня 1 .. 157\u003e .. \u003e\u003e Наступна

20.5.7. При резонансному захопленні нейтрона ізотопом урану 292U утворюється радіоактивний ізотоп урану 239U. Він відчуває Р-розпад і перетворюється в ізотоп трансуранового елемента нептунію 2 ^ Np. Нептуний є Р-радіоактивним і превра-

щается в плутоній 94Pu, який грає найважливішу роль в отриманні ядерної енергії. Запишіть описані ядерні реакції.

20.5.8. Більшість ядерних реакцій можуть йти декількома способами, які отримали назву «канали реакції». Наприклад, при опроміненні ізотопу літію 7Ll протонами можуть регістрі-

398
роваться: а) два однакових ядра; б) ядро \u200b\u200bізотопу берилію Be і нейтрон. Напишіть реакції зазначених «каналів реакції».

20.5.9. Напишіть відсутні позначення в наступних реакціях:

ч 27 .., 1 А ", 4ТТ ... 56--, А" 56 ", 1

а) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; б) 25МП + z X ^ 26Fe + 0 n;

А 1 22 4 27 26 А

в) ZX + iH ^ nNa + 2He; г) 13Al + Y ^ 12Mg + zx *

20.5.10. Елемент Резерфорд отримали, опромінюючи плутоній

94Pu ядрами неону 10Ne. Напишіть реакцію, якщо відомо, що крім нього утворюються ще чотири нейтрона.

20.6. Енергія ядерної реакції

20.6.1. Визначте енергію ядерної реакції 3Li + 1H ^ ^ 24He.

20.6.2. Визначте теплові ефекти наступних реакцій:

а) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; б) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

в) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n; г) 8O + 1 d ^ 7N + 2а.

20.6.3. Яку мінімальну енергію повинна мати a-частинка

для здійснення ядерної реакції 3Li + 2He ° 5B + 0n?

20.6.4. Знайдіть енергію Y-кванта, що випромінює при ядерної

23 реакції 1H + n ^ 1H + Y.

20.6.5. під час вибуху водневої бомби протікає термоядерна реакція утворення атомів гелію 4He з дейтерію 1н і тритію 1н.

Напишіть ядерну реакцію і визначте її енергетичний вихід.

20.6.6. Визначте енергію ядерної реакції 4Be + 1H ^

^ 14Be + ^ H. Яка енергія виділиться при повної реакції берилію масою m \u003d 1 г?

20.6.7. Термоядерна реакція 1h + 2He ^ 4He + ^ p йде з виділенням енергії E1 \u003d 18,4 МеВ. Яка енергія виділиться в

реакції 3He + 2He ^! He + 2 ^, якщо дефект маси ядра 2He на

Am \u003d 0,006 а.е.м. більше, ніж у ядра 1H?

399
20.6.8. Використовуючи визначення енергії зв'язку, покажіть, що енергію, необхідну для поділу ядра C на ядра A і B, можна представити у вигляді: Eab \u003d Ec - (Ea + Eb), де Ea, Eb, Ec - енергії зв'язку відповідних ядер. Визначте енергію, необхідну для поділу ядра кисню 16O на а-частку і ядро \u200b\u200bвуглецю 12С. Енергії зв'язку: E16 ^ \u003d 127,62 МеВ, Ea \u003d 28,30 МеВ, E12 ^ \u003d

92,16 МеВ.

20.6.9. При реакції 3Li + 1H ^ 3Li + 1р виділяється енергія Q \u003d 5,028 МеВ. Енергія зв'язку ядра літію E1 \u003d 39,2 МеВ, дейтерію E2 \u003d 1,72 МеВ. Визначте масу ядра літію.

20.6.10. При розподілі ядер з питомою енергією зв'язку є \u003d \u003d 8,5 МеВ / нукл утворюються два осколка - один з масовим числом Ai \u003d 140 і питомою енергією зв'язку Єї \u003d 8,3 МеВ / нукл, інший - з масовим числом A2 \u003d 94 і питомої енергією зв'язку є2 \u003d \u003d 8,6 МеВ. Оцініть кількість теплоти, що виділиться при розподілі маси m \u003d 1 г вихідних ядер. Вважати тр \u003d mn \u003d

1,6724 10-27 кг.

20.6.11. Вважаючи, що в одному акті поділу ядра урану 235U звільняється енергія Ео \u003d 200 МеВ, визначте енергію, що виділяється при згорянні m \u003d 1 кг урану, і масу кам'яного вугілля mi, еквівалентну в тепловому відношенні 1 кг урану.

20.6.12. При розподілі ядра урану 235U виділяється енергія Q \u003d 200 МеВ. Яку частку енергії спокою урану становить виділилася енергія?

20.6.13. Визначте масову витрату ядерного пального 235U в ядерному реакторі атомної електростанції. Теплова потужність електростанції P \u003d 10 МВт; її ККД п \u003d 20%. Енергія, що виділяється при одному акті поділу, Q \u003d 200 МеВ.

20.6.14. Знайдіть потужність атомної станції, витрачає на добу m \u003d 220 г ізотопу урану 235U і має ККД п \u003d 25%. Вважати, що в одному акті поділу 235U виділяється енергія Q \u003d 200 МеВ.

20.6.15. Для плавлення алюмінію використовується енергія, що виділяється при позитронному Р-розпаді ізотопів вуглецю 11C, причому кожне ядро \u200b\u200bвуглецю випускає один позитрон. Продукти розпаду не радіоактивні. Скільки буде потрібно вуглецю 1I1C для

виконання плавки M \u003d 100 т алюмінію за і \u003d 30 хв, якщо початкова температура алюмінію 0о \u003d 20 ° С?

20.6.16. Натрій і Na масою m \u003d 10 г, відчуває електронний Р-розпад, поміщають в ампулі в цистерну, яка містить

400
M \u003d 1000 т води. Продукти розпаду не радіоактивні. період по-

лураспада натрію T \u003d ^ діб. На скільки градусів зросте температура води за першу добу від початку розпаду натрію?

20.6.17. Полоній 84P0 розпадається з випусканням а-частинки

і утворенням ядер свинцю. Продукти розпаду не радіоактивні. Період напіврозпаду полонію T \u003d 140 днів. Яку масу льоду, взятого при температурі 0 \u003d 0 0C, можна розтопити, використовуючи енергію, що виділяється при розпаді m \u003d 10 г полонію за час t \u003d 35 днів?

20.7. Ядерні реакції і закони збереження

20.7.1. Покоившееся ядро \u200b\u200bполонію 84P0 викинуло а-частку з кінетичної енергією Ek \u003d 5,3 МеВ. Визначте кінетичну енергію ядра віддачі і повну енергію, що виділилася при а-розпаді.

Ядерні реакції - це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками (в тому числі і з у-квантами) або один з одним. Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція, що записується символічно наступним чином:

де X і Y - вихідне і кінцеве ядра, а і Ь - бомбардир і випускається (або випускаються) в ядерній реакції частки.

У будь-ядерної реакції виконуються закони збереження зарядових і масових чисел: сума зарядових (масових) чисел ядер і частинок, що вступають в ядерну реакцію, дорівнює сумі зарядових (масових) чисел кінцевих продуктів (ядер і частинок) реакції. виконуються також закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу.

На відміну від радіоактивного розпаду, який протікає завжди з виділенням енергії, ядерні реакції можуть бути як екзотермічні (з виділенням енергії), так і ендотермічними (з поглинанням енергії).

Важливу роль в поясненні механізму багатьох ядерних реакцій зіграло припущення Н. Бора (1936) про те, що ядерні реакції протікають в дві стадії за наступною схемою:

Перша стадія - це захоплення ядром X частки а, наблизився до нього на відстань дії ядерних сил (Приблизно 2 10 15 м), і утворення проміжного ядра С, званого складовим (або компаунд-ядром). Енергія влетіла в ядро \u200b\u200bчастинки швидко розподіляється між нуклонами складеного ядра, в результаті чого воно виявляється в збудженому стані. При зіткненні нуклонів складеного ядра один з нуклонів (або їх комбінація, наприклад дейтрон - ядро \u200b\u200bважкого ізотопу водню - дейтерію, що містить один протон і один нейтрон) або сх-частинка може отримати енергію, достатню для вильоту з ядра. В результаті можлива друга стадія ядерної реакції - розпад складеного ядра на ядро \u200b\u200bУ і частку Ь.

Класифікація ядерних реакцій

За родом беруть участь в реакціях частинок:

• реакції під дією нейтронів;
• реакції під дією заряджених частинок (наприклад, протонів, (Х-частинок).

За енергії викликають реакції частинок:

• реакції при малих енергіях (близько еВ), що відбуваються в основному за участю нейтронів;
• реакції при середніх енергіях (кілька МеВ), що відбуваються за участю уквантов і заряджених частинок;
• реакції при високих енергіях (сотні і тисячі МеВ), що приводять до народження відсутніх у вільному стані елементарних частинок і мають велике значення для їх вивчення.

За родом беруть участь в реакціях ядер:

• реакції на легких ядрах (А 50);
• реакції на середніх ядрах (50 А
• реакції на важких ядрах (А\u003e 150).

За характером відбуваються ядерних перетворень:

• реакції з випусканням нейтронів;
• реакції з випусканням заряджених частинок. Перша в історії ядерна реакція (Резерфорд; 1919)

11.1. Визначення і класифікація ядерних реакцій. Існують різні тлумачення терміна ядерні реакції. У широкому сенсі ядерної реакцією називається будь-який процес, що починається зіткненням двох, рідко кількох, часток (простих або складних) і йде, як правило, за участю сильних взаємодій. Цьому визначенню задовольняють і ядерні реакції у вузькому сенсі цього слова, під якими розуміються процеси, що починаються зіткненням простою або складною частки (нуклон, α- частка, γ-квант) з ядром. Відзначимо, що визначення реакції задовольняє, як окремий випадок, і розсіювання частинок. Два приклади ядерних реакцій наведені нижче.

Історично перша ядерна реакція (Резерфорд, 1919 г. - відкриття протона):

α + 14 N → 17 Про + р.

Відкриття нейтрона (Чедвік, 1932 г.):

α + 9 Ве → 12 С + n.

Вивчення ядерних реакцій необхідно для отримання інформації про властивості нових ядер і елементарних частинок, збуджених станів ядер і т.д. Не слід забувати, що в мікросвіті через наявність квантових закономірностей на частку або ядро \u200b\u200bне можна «подивитися». Тому основним методом вивчення мікрооб'єктів є вивчення їх зіткнень, т. Е. Ядерних реакцій. У прикладному відношенні ядерні реакції потрібні для використання ядерної енергії, а також для отримання штучних радіонуклідів.

Ядерні реакції можуть відбуватися в природних умовах (наприклад, в надрах зірок або в космічних променях). Але їх вивчення зазвичай проводять в лабораторних умовах, на експериментальних установках. Для здійснення ядерних реакцій необхідно зблизити частинки або ядра з ядрами до відстаней порядку радіусу дії ядерних сил. Зближенню заряджених частинок з ядрами перешкоджає кулонівський бар'єр. Тому для здійснення ядерних реакцій на заряджених частинках використовують прискорювачі, В яких частинки, розганяючись в електричному полі, набувають енергію, необхідну для подолання бар'єру. Іноді ця енергія порівнянна з енергією спокою частки або навіть перевищує її: в цьому випадку рух описується законами релятивістської механіки. У звичайних прискорювачах ( лінійний прискорювач, циклотрон і т.п.) важча з двох частинок, що стикаються, як правило, спочиває, а легша на неї налітає. Спочиваюча частка називається мішенню (англ. - target). Налітають, або бомбардирующие, Частки в російській мові спеціального назви не отримали (в англійською вживається термін projectile - снаряд). У прискорювачах на зустрічних пучках ( коллайдерах) Обидві стикаються частинки рухаються, так що поділ на мішень і пучок налітають частинок втрачає сенс.

Енергія зарядженої частинки в реакції може бути і менше висоти кулонівського бар'єру, як це було в класичних дослідах Дж. Коккрофта і Е. Уолтона, які в 1932 р здійснили штучне розщеплення ядер літію шляхом бомбардування їх прискореними протонами. В їх дослідах проникнення протона в ядро \u200b\u200bмішені відбувалося шляхом тунелювання через кулонівський потенційний бар'єр (див. Лекцію 7). Імовірність такого процесу, зрозуміло, дуже мала через малу прозорості бар'єру.

Для символічного запису ядерних реакцій існує кілька способів, два з яких наведені нижче:

Сукупність частинок, що стикаються в певному квантовому стані (наприклад, р і 7 Li) називають вхідним каналом ядерної реакції. При зіткненнях одних і тих же частинок (фіксований вхідний канал) в загальному випадку можуть з'являтися різні продукти реакції. Так, при зіткненнях протонів з 7 Li можливі реакції 7 Li ( p, 2α), 7 Li ( p, n) 7 Be, 7 Li ( p, d) 6 Be і ін. В цьому випадку говорять про конкуруючих процесах, або про безліч вихідних каналів.

Часто ядерні реакції записують в ще більш короткій формі: ( a, b) - тобто вказуючи лише легкі частинки і не вказуючи ядра, які беруть участь в реакції. Наприклад, запис ( p, n) Означає вибивання протоном нейтрона з будь-якого ядра, ( n, γ ) - поглинання нейтрона ядром з випусканням γ -кванта, і т.п.

Класифікація ядерних реакцій може бути проведена за такими ознаками:

I. За типом протікає процесу

1) радіаційний захоплення: ( n, γ ), (p, γ )

2) ядерний фотоефект: ( γ , n), (γ , p)

3) нуклон-нуклонні реакції:

а) вибивання нуклона або групи нуклонів ( n, p), (p, Α) і т.п.

б) «випаровування» нуклонів ( p, 2n), (p, 2p) і т.п.

в) зрив ( d, p), (d, n) І підхоплення ( p, d), (n, d)

4) поділ: ( n, f), (p, f), (γ , f)

5) синтез (злиття)

6) неупругое розсіювання: ( n, n ')

7) пружне розсіяння: ( n, n)

II. За ознакою виділення або поглинання енергії

1) екзотермічні реакції

2) ендотермічні реакції

III. За енергією бомбардують частинок

1) малих енергій (< 1 кэВ)

2) середніх енергій (1 кеВ-10МеВ)

3) високих енергій (\u003e 10 МеВ)

IV. По масі бомбардований ядер

1) на легких ядрах ( А < 50)

2) на ядрах середніх мас (50< А < 100)

3) на важких ядрах ( А > 100)

V. По виду бомбардують частинок

1) на заряджених частинках ( p, d, α і більш важкі іони)

2) на нейтронах

3) на фотонах (Фотоядерні реакції)

11.2. Закон збереження енергії. Для ядерної реакції самого загального виду

A + B → C+ D + E + ...

запишемо закон збереження енергії через енергії спокою і кінетичні енергії:

величина Q, Яка визначається як різниця енергій спокою:

називається енергією реакції. Очевидно, що

якщо Q \u003e 0, то така реакція називається екзотермічної. В цьому випадку Q - це різниця кінетичних енергій всіх учасників реакції до і після розльоту, певна в системі координат, пов'язаної з центром інерції (СЦІ, або ц-системі). Екзотермічна реакція може йти при будь-якому значенні кінетичної енергії частинок, що стикаються, в тому числі, і при нульовій.

якщо Q < 0, то реакцию называют ендотермічної. Реакція зворотна екзотермічної реакції завжди ендотермічна, і навпаки. величина - Qв ц-системі- це мінімальна кінетична енергія частинок, що стикаються, при якій ще можлива реакція, або, поріг реакції.

При переході в лабораторну систему координат (рис. 11.1), ЛСК, або просто л-систему, В якій покоїться одна з реагуючих частинок - мішень значення порога реакції Е пір збільшується, тому що частина кінетичної енергії йде на марне для реакції рух центру інерції. Дійсно, кінетична енергія руху центру інерції може бути як завгодно велика, але якщо частинки покояться один щодо одного, реакція не піде.

Для визначення порогу реакції в л-системі скористаємося тим, що маса, а значить і енергія спокою є інваріант, Тобто величина, яка не залежить від вибору системи координат. Так як , То для будь-якого числа частинок

Якщо в розглянутій реакції мішенню є частка В, То в л-системі

В ц-системі

Як було сказано вище, порогу в ц-системі відповідає народження частинок З, D і т.д. з нульовими кінетичними енергіями, тобто і т.д. і . Інваріант маси в л-системі

Відповідальний порогу інваріант маси в ц-системі

Якщо тепер прирівняти два отриманих інваріанта при, то

. (11.3)

Таким чином, поріг ендотермічної реакції завжди більше енергії зворотної екзотермічної реакції Q. Як видно з отриманого виразу, поріг ендотермічної реакції тим нижче, ніж більше маса мішені.

11.3. Роль орбітального моменту.Момент імпульсу частинки з імпульсом р, Що налітає на нерухоме ядро, дорівнює pb, де b - прицільний параметр. За класичним уявленням реакція може статися тільки в тих випадках, коли цей прицільний параметр менше радіуса дії ядерних сил, тобто b < R. У квантовій механіці значення орбітального моменту

(- довжина хвилі де Бройля). Тоді має виконуватися нерівність

. (11.4)

Для нейтрона з енергією T \u003d 1 МеВ, тобто порівнянна з розмірами ядра. Для нейтронів і протонів з меншою енергією вона значно більше. Т.ч., для частинок малих і середніх енергій нерівність (11.4) виконується, строго кажучи, лише за умови l \u003d 0 (рідше при l = 1).

З урахуванням квантових властивостей системи реакція в принципі можлива при будь-яких l, Але ймовірність реакції різко падає, якщо співвідношення (11.4) не виконується. Причина в тому, що нейтронам в цьому випадку необхідно подолати відцентровий бар'єр. Але, як це було показано при розгляді випускання ядрами γ-квантів (Лекція 9), коефіцієнт прозорості відцентрового бар'єру

,

тобто різко зменшується з ростом l. Якщо довгохвильове наближення перестає виконуватися (тобто бомбардирующие частки мають дуже високу енергію), взаємодія можлива і з l, Відмінним від нуля.

11.4. Перетин і вихід ядерної реакції.Кількісний опис ядерних реакцій з точки зору квантової механіки може бути тільки статистичними, Тобто таким, в якому принципово можна говорити лише про ймовірність акта самої реакціі.Основнимі ймовірносними характеристиками ядерних реакцій є перетин і вихід, Визначення яких дається нижче. Нехай при падінні потоку частинок А на тонку (але макроскопічну) мішень, що містить ядра В, В ній утворюється dN З ядер З (Рис. 11.2). Це кількість пропорційно числу частинок А, Щільності числа частинок мішені n B (М -3) і товщині мішені dx (М):

.

Перетин реакції А + В → З + ··· визначається тоді як коефіцієнт пропорційності, тобто

, (11.5)

З визначення (11.5) випливає, що перетин має розмірність площі (м 2). У ядерній фізиці в якості одиниці перетину використовується 1 барн: 1 б \u003d 10 -28 м 2.

Наочно перетин можна розглядати як ефективну площу мішені, потрапляючи в яку частка викликає необхідну реакцію. Але через хвильових властивостей частинок таке тлумачення має обмежену область застосовності. Адже з точки зору квантової механіки для частинки існує ненульова ймовірність пройти без відхилення через область, в якій на неї діють сили. Тоді дійсне перетин реакції виявиться менше поперечного перерізу області, в якій відбувається взаємодія. У цьому випадку, за аналогією з оптикою, ядро-мішень називають частково прозорим, або сірим.

У реальних фізичних дослідах далеко не завжди вдається виміряти перетин реакції. Безпосередньо вимірюваноївеличиною є вихід реакції, що визначається як частка частинок пучка, що вступили в реакцію з ядрами мішені. Висловимо вихід реакції через її перетин за умови, що останнім залишається постійним при проходженні падаючих частинок через мішень. число ядер З, Що утворилися в тонкому шарі мішені в результаті реакції з частинками А, так само

,

де N 0 - загальне число частинок А, Які потрапили в шар товщиною dx, N A - число часток, які пройшли шар без реакції. Звідси . Тоді, відповідно до (11.5),

число частинок А, Які пройшли шар мішені кінцевої товщини h, Знайдемо інтегруванням цього рівняння:

,

Використовуючи визначення виходу реакції як частки частинок, які зазнали перетворення, знаходимо, що

тонка мішень відповідає малому в порівнянні з одиницею показником експоненти. В цьому випадку розкладання (11.6) в ряд Тейлора дає

11.5. Механізми ядерних реакцій.Крім класифікації, наведеної в п. 11.1., Ядерні реакції розрізняються за часом і в зв'язку з цим за механізмом їх протікання. В якості тимчасового масштабу зручно використовувати ядерну час - час прольоту частинки через ядро: τ я = 2R/v≈ 10 -22 с (п. 2.2). Очевидно, що τ отрута - мінімальний час, необхідний для завершення елементарного акту найшвидшою реакції.

Будемо використовувати таку класифікацію реакцій за механізмом протікання. Якщо час елементарного акту t р ≈ τ отрута, Такі реакції називаються прямими. У разі прямих реакцій частка a передає енергію одному або декільком нуклона ядра A, Після чого вони відразу ж покидають ядро, не встигнувши обмінятися енергією з іншими:

a + A → b + B.

якщо t р >> τ отрута, То реакція йде через стадію утворення складеного ядра:

a + A → З* → b + B.

Подання про складеному ядрі було введено в фізику Н. Бором в 1936 р Складений ядро З * - збуджений стан ядра З, Причому енергія збудження

(11.7)

де T a- кінетична енергія частинки а, W a - енергія відділення її від ядра З. Енергія збудження ділиться між А+ а нуклонами складеного ядра, і в середньому на один нуклон припадає

. (11.8)

Таким чином, у кожного з нуклонів в окремо енергія недостатня для вильоту. В результаті безлічі зіткнень частка а «Заплутується» в ядрі і втрачає свою індивідуальність. Лише через час t р>> τ отрута в результаті випадкового перерозподілу енергії достатня її кількість може сконцентруватися на одному з нуклонів (або групі нуклонів). В цьому випадку нуклон (група нуклонів) залишає складене ядро \u200b\u200b- відбувається його розпад.

Наближено оцінити середній час життя складеного ядра З *можна в такий спосіб. Приймемо, що відразу після зіткнення частинок має місце розподіл n квантів енергії збудження між f однонуклоннимі ступенями свободи. Загальна кількість можливих розподілів одно

. (11.9)

Висновок формули (11.9) можна проілюструвати наступною наочною схемою: - розподіл n квантів-хрестиків по f осередкам, відокремленим одна від одної fмінус однойчерточкой. Загальна кількість перестановок (тобто загальне число станів системи) всіх хрестиків і всіх рисок одно ( n+ f -1)! Однак перестановки тільки хрестиків і тільки рисок, числа яких дорівнюють n! і ( f -1)! відповідно, не призводять до нових станів. В результаті справжнє число станів виявляється в n!(f -1)! разів менше.

Приймемо далі для простоти міркувань, що реакція вильоту нуклона відбувається під дією частинок низької енергії, так що E * ≈ W a. Тоді для протікання реакції необхідно зосередити всі n квантів на одній ступені свободи, Число станів в цьому випадку просто одно f. ставлення w = f/g і буде визначати ймовірність вильоту нуклона з складеного ядра, тобто реакції.

Енергія зв'язку нуклона з ядром становить в середньому близько 8 МеВ. Величина кванта збудження - близько 0,5 МеВ. тоді n\u003d 8 МеВ / 0,5 МеВ \u003d 16. З огляду на при цьому, що в результаті реакції найбільш імовірно відділення нуклона лише з зовнішньої оболонки, можна покласти f ≈ n. Підставляючи це в (11.9), знайдемо, що

для n\u003d 16 маємо w \u003d 5 ∙ 10 -8. Зміни стану ядра відбуваються з частотою 1 / τ отрута, Тому постійна розпаду складеного ядра λ С * = w /τ отрута, А середній час життя τ С * \u003d1/ λ С * - порядку 10 -14 с. Таким чином, дійсно τ С *>> τ отрута.

Можна помітити, що складене ядро \u200b\u200bпринципово не відрізняється від радіоактивного ядра. Воно так само прагне втратити енергію за рахунок будь-якого можливого в даних умовах процесу. Один з таких процесів (відрив нуклона) ми вже розглядали вище. Для складеного ядра може існувати одночасно кілька каналів розпаду. Крім того, перехід в основний стан може відбутися в результаті випускання γ-кванта (таку реакцію називають радіаційним захопленням). Висвітлення ядром γ-квантів відбувається під дією електромагнітних сил, тобто в ядерному масштабі часу також досить повільно (через 10 -11 -10 -7 с - див. п. 9.3). Таким чином, реакції радіаційного захоплення також йдуть через складене ядро.

Перетин реакції, що йде через складене ядро, можна записати у вигляді

, (11.11)

де w b - ймовірність розпаду складеного ядра по каналу b, причому

Залежність перетину ядерної реакції від кінетичної енергії налітають частинок називається функцією збудження.

Схожа інформація.

В загалом вигляді ядерна взаємодія можна записати у формі:

Найбільш поширеним типом ядерної реакції є взаємодія легкої частинки a з ядром X, В результаті чого утворюється частинка b і ядро Y. Це записують символічно так:

роль частинок a і b найчастіше виконують нейтрон n, протон p, дейтрон d, Α-частинка і γ-квант.

Процес (4.2) зазвичай відбувається неоднозначно, так як реакція може йти декількома конкуруючими способами, тобто частинки, що народжуються в результаті ядерної реакції (4.2), можуть бути різними:

.

Різні можливості протікання ядерної реакції на другому етапі іноді називають каналами реакції. Початковий етап реакції називається вхідним каналом.

Два останніх каналу реакції відносяться до випадків непружного ( A 1 + a) І пружного ( A + a) Ядерного розсіювання. Ці окремі випадки ядерного взаємодії відрізняються від інших тим, що продукти реакції збігаються з частинками, що вступають в реакцію, причому при пружному розсіянні зберігається не тільки тип ядра, але і його внутрішній стан, А при неупругом розсіянні внутрішній стан ядра змінюється (ядро переходить в збуджений стан).

Малюнок 4.1. якісна залежність ймовірності розпаду ядра від енергії.

При вивченні ядерної реакції становить інтерес ідентифікація каналів реакції, порівняльна ймовірність протікання її через канали з різних енергіях падаючих частинок. Ядра можуть перебувати в різних енергетичних станах . Стан стабільного або радіоактивного ядра, яке відповідає мінімальній енергії (масі) E 0 називається основним. З квантової механіки відомо, що між енергією стану і його часом життя має місце співвідношення Гейзенберга: ΔE \u003d ћ / Δt,

Збуджені ядра, відчувають різні види енергетичних переходів. Енергія збудження може скидатися по різними каналами (переводячи ядра в основний стан): випускання γ-квантів, розподіл ядра і т.д. З цієї причини вводиться поняття парціальної ширини рівня Γ i . Парциальная ширина резонансного рівня є ймовірність розпаду по i-му каналу. Тоді ймовірність розпаду в одиницю часу ω може бути представлена \u200b\u200bу вигляді:

.

Також великий інтерес представляє енергія і кутовий розподіл частинок, що утворюються, і їх внутрішній стан (енергія збудження, спін, парність, ізотопний спин).

Багато відомостей про ядерні реакціях можуть бути отримані в результаті застосування законів збереження.

Більш детальну інформацію з цього розділу можна подивитися.

Велику роль у розвитку уявлень про структуру ядер зіграло вивчення ядерних реакцій, що дало велику інформацію про спинах і парності збуджених станів ядер, сприяло розвитку моделі оболонок. Вивчення реакцій з обміном декількома нуклонами між стикаються ядрами дозволило дослідити ядерну динаміку в стані з великими кутовими моментами. В результаті були відкриті довгі ротаційні смуги, що стало однією з основ створення узагальненої моделі ядра. При зіткненні важких ядер утворюються ядра, яких немає в природі. Синтез трансуранових елементів значною мірою грунтується на фізиці взаємодії важких ядер. У реакціях з важкими іонами утворюються ядра, віддалені від смуги β-стабільності. Ядра, віддалені від смуги β-стабільності, відрізняються від стабільних ядер іншим співвідношенням між кулоновским і ядерним взаємодіями, співвідношенням між числом протонів і числом нейтронів, істотними відмінностями в енергіях зв'язку протонів і нейтронів, що проявляється в нових типах радіоактивного розпаду - протонної і нейтронної радіоактивності і рядом інших специфічних особливостей атомних ядер.
При аналізі ядерних реакцій необхідно враховувати хвильову природу частинок, що взаємодіють з ядрами. Хвильовий характер процесу взаємодії частинок з ядрами чітко проявляється при пружному розсіянні. Так для нуклонів з енергією 10 МеВ наведена дебройлевская довжина хвилі менше радіуса ядра і при розсіянні нуклона виникає характерна картина дифракційних максимумів і мінімумів. Для нуклонів з енергією 0.1 МеВ довжина хвилі більше радіуса ядра і дифракція відсутня. Для нейтронів з енергією<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Ядерні реакції є ефективним методом дослідження ядерної динаміки. Ядерні реакції відбуваються при взаємодії двох частинок. При ядерної реакції відбувається активний обмін енергією і імпульсом між частинками, в результаті чого утворюються одна або декілька часток, що розлітаються з області взаємодії. В результаті ядерної реакції відбувається складний процес перебудови атомного ядра. Як і при описі структури ядра, при описі ядерних реакцій практично неможливо отримати точне рішення задачі. І подібно до того, як будова ядра описується різними ядерними моделями, протікання ядерної реакції описується різними механізмами реакцій. Механізм протікання ядерної реакції залежить від декількох факторів - від типу налітаючої частки, типу ядра-мішені, енергії налітаючої частки і від ряду інших факторів. Одним з граничних випадків ядерної реакції є пряма ядерна реакція. В цьому випадку налітав частка передає енергію одному-двом нуклона ядра, і вони покидають ядро, що не взаємодіючи з іншими нуклонами ядра. Характерне час протікання прямої ядерної реакції 10 -23 с. Прямі ядерні реакції йдуть на всіх ядрах при будь-якої енергії налітаючої частки. Прямі ядерні реакції використовуються для вивчення одночасткових станів атомних ядер, тому що продукти реакції несуть інформацію про стан рівнів, з яких вибивається нуклон. За допомогою прямих ядерних реакцій була отримана детальна інформація про енергії і заповненні одночасткових станів ядер, яка лягла в основу оболочечной моделі ядра. Іншим граничним випадком є \u200b\u200bреакції, що йдуть через освіту складеного ядра.

Опис механізму ядерних реакцій було дано в роботах В.Вайскопфа.

В.Вайскопф: «Що відбувається, коли частка входить в ядро \u200b\u200bі стикається з однією з ядерних складових частин? Малюнок ілюструє деякі з цих можливостей.
1) Падаюча частка втрачає частину своєї енергії, піднімаючи ядерну частку в більш високий стан. Це буде результатом непружного розсіювання, якщо падаюча частка залишається з енергією, достатньою для того, щоб знову покинути ядро. Цей процес називають прямим непружним розсіюванням, оскільки він передбачає розсіювання тільки на одній складової частини ядра.
2) Падаюча частка передає енергію колективного руху, як це символічно показано на другій схемі малюнка, це також є прямим взаємодією.
3) На третій схемі малюнка передана енергія досить велика для того, щоб вирвати нуклон з мішені. Цей процес також дає внесок в пряму ядерну реакцію. В принципі він не відрізняється від 1), він відповідає «обмінній реакції».
4) Падаюча частка може втратити так багато енергії, що залишається пов'язаної всередині ядра, передана енергія може бути прийнята низьколежачих нуклоном таким чином, що він не зможе залишити ядро. Ми отримуємо тоді порушену ядро, яке не може випустити нуклон. Цей стан з необхідністю призводить до подальших возбуждениям нуклонів внутрішніми сутичками, в яких енергія на збуджену частку в середньому убуває, так що в більшості випадків нуклон не може покинути ядро. Отже, буде досягнуто стан з дуже великим часом життя, яке може розпастися тільки в тому випадку, коли одна частинка при зіткненнях всередині ядра випадково придбає достатню енергію для того, щоб покинути ядро. Таку ситуацію ми називаємо освітою компаунд-ядра. Енергія може бути втрачена також випромінюванням, після якого виліт частки стає енергетично неможливим: падаючий нуклон випробує радіаційний захоплення.
5) Освіта компаунд-ядра може здійснюватися в два або більше кроків, якщо після процесу типу 1) або 2) падаючий нуклон на своєму шляху вдаряє інший нуклон і збуджує його таким чином, що виліт з ядра виявляється неможливим для будь-якого нуклона ».

Вперше уявлення про протікання ядерної реакції через стадію складеного ядра було висловлено Н.Бором. Відповідно до моделі складеного ядра, що падає частка після взаємодії з одним або двома нуклонами ядра передає ядру більшу частину своєї енергії і виявляється захопленої ядром. Час життя складеного ядра набагато більше, ніж час прольоту налітаючої частки через ядро. Внесена налетающей часткою в ядро \u200b\u200bенергія перерозподіляється між нуклонами ядра до тих пір, поки значна її частина не зосередиться на одній частці і тоді вона вилітає з ядра. Освіта долгоживущего збудженого стану може в результаті деформації привести до його поділу.

Н. Бор: «Явище захоплення нейтронів змушує нас припускати, що зіткнення між швидким нейтроном і важким ядром має вести насамперед до утворення складної системи, яка характеризується чудовою стійкістю. Можливий подальший розпад цієї проміжної системи з вильотом матеріальної частинки або перехід до кінцевого стану з емісією кванта променистої енергії слід розглядати як самостійні процеси, які не мають безпосереднього зв'язку з першою фазою зіткнення. Ми зустрічаємося тут із суттєвою різницею, раніше ще нерозпізнаної, між справжніми ядерними реакціями - звичайними зіткненнями швидких частинок і атомних систем - зіткненнями, які до сих пір для нас були головним джерелом відомостей щодо будови атома. Дійсно, можливість рахунку за допомогою таких зіткнень окремих атомних частинок і вивчення їх властивостей зобов'язані, перш за все, «відкритості» розглянутих систем, яка робить вельми малоймовірними обмін енергії між окремими складовими частками протягом удару. Однак внаслідок тісного упаковки частинок в ядрі, ми повинні бути готові до того, що саме цей обмін енергії відіграє основну роль в типових ядерних реакціях ».

Класифікація ядерних реакцій. Ядерні реакції є ефективним засобом вивчення структури атомних ядер. Якщо довжина хвилі налітаючої частки більше розмірів ядра, то в таких експериментах виходить інформація про ядро \u200b\u200bв цілому. Якщо менше розмірів ядра, то з перетинів реакцій витягується інформація про розподіл щільності ядерної матерії, будову поверхні ядра, кореляції між нуклонами в ядрі, розподілі нуклонів з ядерних оболонок.

• Кулонівське збудження ядер під дією заряджених частинок щодо великої маси (протони, α-частинки і важкі іони вуглецю, азоту) використовується для вивчення низьколежачих обертальних рівнів важких ядер.
• Реакції з важкими іонами на важких ядрах, що призводять до злиття ядер, що стикаються, є основним методом отримання надважких атомних ядер.
• Реакції злиття легких ядер при порівняно низьких енергіях зіткнення (так звані термоядерні реакції). Ці реакції відбуваються за рахунок квантово тунелювання крізь кулонівський бар'єр. Термоядерні реакції протікають всередині зірок при температурах 10 7 -10 10 К і є основним джерелом енергії зірок.
• Фотоядерні і електроядерних реакції відбуваються при зіткненні з ядрами γ-квантів і електронів з енергією E\u003e 10 МеВ.
• Реакції ділення важких ядер, що супроводжуються глибокою перебудовою ядра.
• Реакції на пучках радіоактивних ядер відкривають можливості отримання і дослідження ядер з незвичайним співвідношенням числа протонів і нейтронів, далеких від лінії стабільності.

Класифікацію ядерних реакцій зазвичай проводять по типу і енергії налітаючої частки, типу ядер-мішеней і енергії налітаючої частки.

Реакції на повільних нейтронах

«1934 р Одного ранку Бруно Понтекорво і Едуардо Амальді відчували на радіоактивність деякі метали. Цим зразкам була додана форма маленьких порожніх циліндрів однакового розміру, Всередині яких можна було помістити джерело нейтронів. Щоб опромінювати такий циліндр, в нього вставляли джерело нейтронів, а потім все поміщали в свинцевий ящик. У цю знаменну ранок Амальді і Понтекорво проводили досліди з сріблом. І раптом Понтекорво зауважив, що з срібним циліндром відбувається щось дивне: активність його не завжди однакова, вона змінюється в залежності від того, куди його помістять, в середину або в кут свинцевого ящика. У повному здивуванні Амальді і Понтекорво вирушили доповісти про це чудо Фермі і Разетті. Франке був схильний приписати ці дивацтва який-небудь статистичної помилку або неточним вимірюванням. А Енріко, який вважав, що кожне явище вимагає перевірки, запропонував їм спробувати опромінити цей срібний циліндрик поза свинцевого ящика і подивитися, що з цього вийде. І тут у них пішли зовсім неймовірні чудеса. Виявилося, що предмети, що знаходяться поблизу від циліндрика, здатні впливати на його активність. Якщо циліндрик опромінювали, коли він стояв на дерев'яному столі, його активність була вищою, ніж коли його ставили на металеву пластинку. Тепер уже вся група зацікавилася цим і все взяли участь в дослідах. Вони помістили джерело нейтронів поза циліндрика і між ним і циліндриком ставили різні предмети. Свинцева пластинка злегка збільшувала активність. свинець− речовина важке. «Ну-ка, давайте спробуємо тепер легке!− запропонував Фермі.− Скажімо, парафін ». Вранці 22 жовтня і був проведений досвід з парафіном.
Вони взяли великий шматок парафіну, видовбали в ньому ямку, а всередину помістили джерело нейтронів, опромінили срібний циліндрик і піднесли його до лічильника Гейгера. Лічильник, немов з ланцюга зірвався, так і защелкал. Весь будинок загриміло вигуками: «Неможливо! Неймовірно! Чорна магія!" Парафін збільшував штучну радіоактивність срібла в сто раз.
Опівдні група фізиків неохоче розійшлася на перерву, встановлений для сніданку, який зазвичай тривав у них години дві ... Енріко скористався своїм самотністю, і коли він повернувся в лабораторію, у нього вже була готова теорія, яка пояснювала дивне дія парафіну ».