Ядерные реакции

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

   Ядерные реакции- превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами или квантами. Такое определение разграничивает собственно ядерные реакции и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.  
   Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов различных. элементов) либо квантов, которыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают ядерные реакции при низких ( < 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А < 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).  
   Ядерная реакция может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (около 10^-13 см), т. е. на расстояние, при котором действуют силы внутриядерного взаимодействуют. между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной реакции частицы - и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени. Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера, и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет около 10 МэВ. В случае, если в ядерной реакции участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).  
   Обсуждается возможность протекания ядерных реакций не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на поверхности твердого тела (напр., с участием ядер атомов газа дейтерия, растворенного в палладии); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных реакций ("холодного термоядерного синтеза") нет.  
Ядерные реакции подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. реакции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании ядерных реакций действуют и некоторые специфические законы, не проявляющиеся в хим. реакциях, например, закон сохранения барионного заряда (барионы - тяжелые элементарные частицы).  
   Записывать ядерные реакции можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона:

   Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его атомный номер (заряд ядра), то при записи ядерных реакций значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще ядерные реакции записывают короче. Так, ядерную реакцию образования радионуклида ¹⁴С при облучении ядер ¹⁴N нейтронами записывают следующим образом: ¹⁴N(n, р)¹⁴С.  
   В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу или квант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы или квант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. ядерные реакции.  
   При столкновении одних и тех же частиц ядерные реакции могут идти различными способами. Например, при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. ядерные реакции: ²⁷А1(n, )²⁸А1, ²⁷А1(n, n)²⁷А1, ²⁷А1(n, 2n)²⁶А1, ²⁷А1(n, p)²⁷Mg, ²⁷Al(n, )²⁴Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц называют входным каналом ядерной реакции, а частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, образуют выходной канал.  
   Ядерные реакции могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать ядерную реакцию как А(a, b)В, то для такой ядерной реакции энергия равна: Q = [(М_А + М_а) - (М_в + М_b)] x с², где М -массы участвующих в ядерной реакции частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельта М (см. Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Q имеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10^-7 кДж).  
   Изменение энергии, которым сопровождается ядерная реакция, может в 10⁶ раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. реакциях. Поэтому при ядерной реакции становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после ядерной реакции. Возможность выделения огромных количеств энергии при осуществлении ядерных реакций лежит в основе ядерной энергетики. Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в ядерных реакциях, а также соотношений между углами, под которыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных реакций.

Механизмы ядерных реакций.

    Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных свойств взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление наз. упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер ²⁷А1 ему отвечает ядерная реакция ²⁷А1(п, п)²⁷А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это так называемый прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно около 10^-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы.  
   При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10^-15-10^-16 с. Это время отвечает времени жизни так называемого составного ядра ядерной системы, образующейся в ходе ядерной реакции в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или нескольких нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t или частицу.  
Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, который должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядро испускает квант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, которое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.  

Эффективное сечение ядерных реакций. 

    В отличие от большинства химических реакций, при которых исходные вещества, взятые в стехиометрических количествах, реагируют между собой нацело, ядерную реакцию вызывает только небольшая доля из всех бомбардирующих частиц, упавших на мишень. Это объясняется тем, что ядро занимает ничтожно малую часть объема атома, так что вероятность встречи налетающей частицы, проходящей через мишень, с ядром атома очень мала. Кулоновский потенциальный барьер между налетающей частицей и ядром (при их одинаковом заряде) также препятствует ядерной реакции. Для количеств. характеристики вероятности протекания ядерной реакции используют понятие эффективного сечения а. Оно характеризует вероятность перехода двух сталкивающихся частиц в определенное конечное состояние и равно отношению числа таких переходов в единицу времени к числу бомбардирующих частиц, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению их движения. Эффективное сечение имеет размерность площади и по порядку величины сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (около 10^-28 м²). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10^-28 м²).  
   Реальные значения для различных ядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10^-49 до 10^-22 м²). Значение зависит от природы бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от свойств облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать т. наз. резонансный захват нейтронов, который характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетическая энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на несколько порядков превышать нерезонансное сечение.  
   Если бомбардирующая частица способна вызывать протекание ядерной реакции по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений различных процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.  
   Эффективные сечения ядерных реакций для ядер различных изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления ядерной реакции нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы  ядерных реакций

   Выходы ядерных реакций-отношение числа актов ядерных реакций к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см²) мишени, обычно не превышают 10^-6-10^-3. Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через которую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной реакции пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см² поверхности мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см² мишени, а также значению эффективного сечения ядерной реакции. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных реакций под действием нейтронов не более нескольких мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса вещества, полученного в той или иной ядерной реакции, значительно меньше.  

Бомбардирующие  частицы.

    Для осуществления ядерных реакций используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t, частицы, тяжелые ионы (¹²С, ²²Ne, ⁴⁰Аr и др.), электроны е и кванты. Источниками нейтронов (см. Нейтронные источники)при проведении ядерных реакций служат: смеси металлические Be и подходящего излучателя, напр. ²²⁶Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев ядерных реакций выше для нейтронов с малыми энергиями (тепловые нейтроны), то перед тем, как направить поток нейтронов на мишень, их обычно замедляют, используя парафин, графит и др. материалы. В случае медленных нейтронов основный. процесс почти для всех ядер - радиационный захват - ядерная реакция типа т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов и частиц. Под действием нейтронов цепные реакции деления.  
   В случае использования в качестве бомбардирующих частиц протонов, дейтронов и др., протекают несущих положительный заряд, бомбардирующую частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя различные ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро. При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных реакций достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия связи протона и нейтрона в дейтроне относительно мала, и соотв., велико расстояние между протоном и нейтроном.  
При использовании в качестве бомбардирующих частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон - протон или нейтрон, второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения могут достигаться при проведении ядерных реакций между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому ядерные реакции с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих ядер до т-ры около 10⁷ К. Такие ядерные реакции называют термоядерными. В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные реакции с участием дейтерия, дейтерия и трития, дейтерия и лития и др. осуществлены при взрывах термоядерных (водородных) бомб.  
Для частиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны ядерные реакции и Продукты ядерной реакции обычно радиоактивны, для ядерной реакции - обычно стабильные ядра.  
Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов важное значение имеют ядерные реакции, протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (²²Ne, ⁴⁰Аr и др.). Напр., по ядерной реакции м. б. осуществлен синтез фермия. Для ядерных реакций с тяжелыми ионами характерно большое число выходных каналов. Например, при бомбардировке ядер ²³²Th ионами ⁴⁰Аr образуются ядра Са, Аr, S, Si, Mg, Ne.  
   Для осуществления ядерных реакций под действием квантов пригодны кванты высоких энергий (десятки МэВ). Кванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие под действием налетающих квантов ядерные реакции называют фотоядерными, этих реакций достигают 10³⁰ м².  
   Хотя электроны имеют заряд, противоположный заряду ядер, проникновение электронов в ядро возможно только в тех случаях, когда для облучения ядер используют электроны, энергия которых превышает десятки МэВ. Для получения таких электронов применяют бетатроны и др. ускорители.  
   Исследования ядерных реакций дают разнообразную информацию о внутреннем строении ядер. Ядерные реакции с участием нейтронов позволяют получать огромное кол-во энергии в ядерных реакторах. В результате ядерных реакций деления под действием нейтронов образуется большое число различных радионуклидов, которые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев ядерные реакции позволяют получать меченые соединения. Ядерные реакции лежат в основе активационного анализа. С помощью ядерных реакций осуществлен синтез искусственных хим. элементов (технеция, прометия, трансурановых элементов, трансактиноидов).

История открытия деления ядер урана

   Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Капельная модель ядра

   Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1).

Рис. 1 

   После захвата ядром нейтрона образуется промежуточное ядро , которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

   В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

.

   Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.