Ядерные реакции - Физика атомного ядра - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

4.8. Физика атомного ядра

4.8.7. Ядерные реакции

Ядерные реакции — это процессы, идущие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.

При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки (например, нейтронами) делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтезапроисходит превращение легких ядер в более тяжелые.

Искусственное превращение атомных ядер. Впервые в истории человечества искусственное (целенаправленное) превращение ядер осуществил Резерфорд в 1919 г. Бомбардируя а-частицами большой энергии, испускаемыми радием, ядра атома азота , Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода. В первых опытах регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций, позднее более точно — в камере Вильсона. При этом ядро атома азота превращается в ядро изотопа кислорода:

Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием α-частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов не испытывали превращений. Очевидно, что их большой электрический заряд не позволял α-частице приблизиться к ядру вплотную.

Ядерная реакция на быстрых протонах

Для осуществления ядерной реакции необходимо приближение частиц вплотную к ядру, что возможно для частиц с очень большой энергией (особенно для положительно заряженных частиц, которые отталкиваются от ядра). Такая энергия (до 105 МэВ) сообщается в ускорителях заряженных частиц протонам, дейтронам и др. частицам. Этот метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивным элементом (энергия которых составляет около 9 МэВ).

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две αа-частицы:

Ядерные реакции на нейтронах

Открытие нейтронов явилось поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Лишенные заряда нейтроны беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, например:

Великий итальянский физик Энрико Ферми обнаружил, что медленные нейтроны (около 104 эВ) более эффективны в реакциях ядерных превращений, чем быстрые нейтроны (около 105 эВ). Поэтому быстрые нейтроны замедляют в обыкновенной воде, содержащей большое число ядер водорода — протонов. Эффект замедления объясняется тем, что при столкновении шаров одинаковой массы происходит наиболее эффективная передача энергии.

Законы сохранения заряда, массового числа и энергии

Многочисленные эксперименты по различного рода ядерным взаимодействиям показали, что во всех без исключения случаях сохраняется суммарный электрический зарядчастиц, участвующих во взаимодействии. Другими словами, суммарный электрический заряд частиц, вступающих в ядерную реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции (как это и следует ожидать согласно закону сохранения заряда для замкнутых систем). Кроме того, в ядерных реакциях обычного типа (без образования античастиц) наблюдается сохранение массового ядерного числа (т.е. полного числа нуклонов).

Сказанное подтверждается всеми приведенными выше типами реакций (суммы соответствующих коэффициентов при ядрах с левой и правой сторон уравнений реакции равны), см. табл. 4.2.

Оба закона сохранения относятся также и к ядерным превращениям типа радиоактивных распадов.

В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетическим выходом реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Согласно сказанному ранее, энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.

Таблица 4.2

Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае — о ее поглощении. Последний случай осуществляется при бомбардировке азота α-частицами (4.14), часть энергии переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшихся ядер. При ядерной реакции (4.15) кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия на 17,3 МэВ больше кинетической энергии вступавшего в реакцию протона.