Ядерная физика
Атомное ядро · Радиоактивный распад · · Термоядерная реакция
Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · Составное ядро · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение
Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · Бета-распад · Кластерный распад
Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход
Излучения Ионизирующее излучение · Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление
Захваты Электронный захват · Нейтронный захват ( r-процесс · s-процесс ) · Протонный захват ( p-процесс · rp-процесс ) · Нейтронизация
Деление ядра Спонтанное деление
Нуклеосинтез Первичный нуклеосинтез · Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания
См. также: Портал:Физика

Я́дерная реа́кция — процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей , который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра , испускание элементарных частиц или фотонов . Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1917 году , бомбардируя α-частицами ядра атомов азота . Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны . Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра , это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил , сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием .

Механизмы ядерной реакции

Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время , то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10 ⁻²³ — 10 ⁻²¹ с . При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии , которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом ${\displaystyle A}$ и частицы в системе центра инерции .

Энергия возбуждения

Энергия возбуждения ${\displaystyle E^{*}}$ составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи ${\displaystyle E_{c}}$ нуклона и части его кинетической энергии ${\displaystyle E^{'}}$ :

${\displaystyle E^{*}=E_{c}+E'.}$

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона ${\displaystyle E'}$ примерно равна кинетической энергии ${\displaystyle E}$ бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера , значение ${\displaystyle E}$ может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра .

Каналы реакций

Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции . Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру, ${\displaystyle {}_{13}^{27}{\textrm {Al}}}$ может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

${\displaystyle {}_{11}^{23}{\textrm {Na}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}},}$

${\displaystyle {}_{12}^{26}{\textrm {Mg}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}},}$

${\displaystyle {}_{13}^{26}{\textrm {Al}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}},}$

${\displaystyle {}_{13}^{27}{\textrm {Al}}+\gamma \rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}.}$

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени .

Прямые ядерные реакции

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия .

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах , равных 10 ⁻²⁴ см².

Выход реакции

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц ${\displaystyle \nu /\Phi }$ , называется выходом ядерной реакции . Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции .

Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики . Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа , лептонного числа ); другие законы сохранения ( изоспина , чётности , странности ) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий . Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора , указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

Закон сохранения энергии

Если ${\displaystyle E_{1},\,E_{2},\,E_{3},\,E_{4}}$ — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

${\displaystyle E_{1}+E_{2}=E_{3}+E_{4}.}$

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия E частицы равна сумме её массы (в энергетическом эквиваленте) Mc ² и кинетической энергии K , поэтому:

${\displaystyle M_{1}c^{2}+M_{2}c^{2}+K_{1}+K_{2}=M_{3}c^{2}+M_{4}c^{2}+K_{3}+K_{4}.}$

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = ( K ₃ + K ₄ ) − ( K ₁ + K ₂ ) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции ). Она удовлетворяет условию:

${\displaystyle M_{1}+M_{2}=M_{3}+M_{4}+Q/c^{2}.}$

Множитель 1/ c ² обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической , если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической .

Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции . Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями , поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если ${\displaystyle {\vec {p}}_{1}}$ , ${\displaystyle {\vec {p}}_{2}}$ , ${\displaystyle {\vec {p}}_{3}}$ , ${\displaystyle {\vec {p}}_{4}}$ — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

${\displaystyle {\vec {p}}_{1}+{\vec {p}}_{2}={\vec {p}}_{3}+{\vec {p}}_{4}.}$

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром . Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

Закон сохранения момента импульса

Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие , момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов ( спинов ) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов).

Другие законы сохранения

• при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
• при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов , что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа . Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.
• при ядерных реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число ).
• при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции , описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями .
• при ядерных реакциях, обусловленных сильными взаимодействиями , сохраняется изотопический спин . Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют.

Виды ядерных реакций

Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

Ядерная реакция деления

Ядерная реакция деления — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы ), нейтроны и гамма-кванты . Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Однако спонтанные процессы обычно не относятся к ядерным реакциям, поэтому ядерной реакцией является лишь вынужденное деление (при захвате нейтронов, и т.п.) Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии .

Ядерная реакция синтеза

Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения .

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый « кулоновский барьер ». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 ⁻¹⁵ м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

• Если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы ), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своём пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли , с частицами космических лучей . Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1917, опубликовано 1919, Э. Резерфорд ), а также ускорителях заряженных частиц (впервые 1931 , Р. Ван-де-Грааф ) и установках наподобие фузора или реактора « Поливелл », в которых кинетическая энергия заряженным частицам придаётся электрическим полем . Таким путём были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы .

• Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе . Согласно кинетической теории , кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции (см. ниже).

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция — слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра, за счёт кинетической энергии их теплового движения .

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноимённо положительно заряжены.

Согласно кинетической теории , кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.

Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах.

Реакции синтеза между ядрами лёгких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике , в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом .

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами ( дейтерий и тритий ) весьма распространённого на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

${\displaystyle {}_{1}^{2}{\textrm {H}}(D)+{}_{1}^{3}{\textrm {H}}(T)\rightarrow {}_{2}^{4}{\textrm {He}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}}$ + энергия (17,6 МэВ) .

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза .

Термоядерная реакция также используется в термоядерном оружии .

Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром . Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов . Такой распад ведёт к ядерным реакциям ${\displaystyle (\gamma ,n)}$ и ${\displaystyle (\gamma ,p)}$ , которые и называются фотоядерными , а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом .

Другие

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц .

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических , то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

${\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}+n\rightarrow {}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}+\gamma .}$

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым ( барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам ( энергия , импульс , момент импульса , …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие , протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики , имеет вид A (a, bcd…) B , где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

${\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}(n,\gamma ){}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}.}$

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример ( n , γ) -реакции (читается: эн-гамма-реакция). Другие примеры: (α, n ) -реакция, ( p , 2 n ) -реакция, ( d , t ) -реакция, ( α , ⁶ Li)-реакция и т.п.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород , которое провёл Резерфорд , обстреливая азот альфа-частицами , записывается в виде формулы

${\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}(\alpha ,p){}_{8}^{17}{\textrm {O}},}$ где ${\displaystyle p={}_{1}^{1}{\textrm {H}}}$ — ядро атома водорода , протон .

В «химической» записи эта (α, p ) -реакция выглядит как

${\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}+\alpha \rightarrow p+{}_{8}^{17}{\textrm {O}}.}$

Примечания

Ссылки

• Ядерные реакции — статья из Большой советской энциклопедии .
• , Физическая энциклопедия
• Schmitz, Taylor. . — (англ.) ( , 1973. — ISBN 0-08-016983-X .
• Bertulani, Carlos. . — Princeton University Press , 2007. — ISBN 978-0-691-12505-3 .
• Suplee, Curt (неопр.) . NIST (23 августа 2009).