ядерные реакции

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами иликвантами. Такое определение разграничивает собственно Я. р. и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.

Я. р. осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов разл. элементов) либоквантов, которыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают Я. р. при низких ( < 1 МэВ), средних (1–100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают реакции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А /i> 50), ядрах ср. массы (50 <i>< А <</i> 100) и тяжелых ядрах (<iА > 100).

Я. р. может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10⁻¹³ см), т. е. на расстояние, при котором действуют силы внутриядерного взаимод. между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в Я. р. 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 ок. 10 МэВ. В случае, если в Я. р. участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).

Обсуждается возможность протекания Я. р. 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 Я. р. ("холодного термоядерного синтеза") нет.

Я. р. подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. реакции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании Я. р. действуют и некоторые специфич. законы, не проявляющиеся в химических реакциях, напр., закон сохранения барионного заряда (барионы — тяжелые элементарные частицы).

Записывать Я. р. можно так, как это показано на примере превращения ядер Pu в ядра Ku 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 ат. номер (заряд ядра), то при записи Я. р. значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще Я. р. записывают короче. Так, Я. р. образования радионуклида ¹⁴С при облучении ядер ¹⁴N нейтронами записывают след. образом: ¹⁴N(n, р)¹⁴С.

В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу иликвант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (n, 2п) и др. Я. р.

При столкновении одних и тех же частиц Я. р. могут идти разл. способами. Например, при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. Я. р.: ²⁷А1(n, )²⁸А1, ²⁷А1(n, n)²⁷А1, ²⁷А1(n, 2n)²⁶А1, ²⁷А1(n, p)²⁷Mg, ²⁷Al(n, α)²⁴Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом Я. р., а частицы, рождающиеся в результате Я. р., образуют выходной канал.

Я. р. могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать Я. р. как А(a, b)В, то для такой Я. р. энергия равна: Q = [(М_А + М_а) — (М_в + М_b)] x с², где М -массы участвующих в Я. р. частиц; с — скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (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∙10⁻⁷ кДж).

Изменение энергии, которым сопровождается Я. р., может в 10⁶ раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при химических реакциях. Поэтому при Я. р. становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после Я. р. Возможность выделения огромных количеств энергии при осуществлении Я. р. лежит в основе ядерной энергетики (см. ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в Я. р., а также соотношений между углами, под которыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики — кинематику ядерных реакций.

Механизмы Я. р. Характер взаимод. 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 Я. р. ²⁷А1(n, n)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 — т. наз. прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно ок. 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 т. наз. составного ядра- ядерной системы, образующейся в ходе Я. р. 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 неск. нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t иличастицу.

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 испускаетквант (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 Я. р. В отличие от большинства хим. реакций, при которых исходные вещества, взятые в стехиометрич. количествах, реагируют между собой нацело, Я. р. 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 Я. р. Для количеств. характеристики вероятности протекания Я. р. 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 (ок. 10⁻²⁸ м²). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения — барн (1 барн = 10⁻²⁸ м²).

Реальные значения для различных Я. р. 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 кинетич. энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на неск. порядков превышать нерезонансное сечение.

Если бомбардирующая частица способна вызывать протекание Я. р. по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений разл. процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.

Эффективные сечения Я. р. для ядер разл. изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления Я. р. нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы Я. р., т. е. отношение числа актов Я. р. 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 Я. р. пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см² поверхности мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см² мишени, а также значению эффективного сечения Я. р. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении Я. р. под действием нейтронов не более неск. мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса вещества, полученного в той или иной Я. р., значительно меньше.

Бомбардирующие частицы. Для осуществления Я. р. используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t, частицы, тяжелые ионы (¹²С, ²²Ne, ⁴⁰Ar и др.), электроны е икванты. Источниками нейтронов (см. нейтронные источники) при проведении Я. р. служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя, напр. ²²⁶Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев Я. р. 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 осн. процесс почти для всех ядер — радиационный захват — Я. р. типа т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов и α-частиц. Под действием нейтронов протекают цепные реакции деления.

В случае использования в качестве бомбардирующих частиц протонов, дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя разл. 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 Я. р. 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 Я. р. между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1–10 МэВ). Поэтому Я. р. с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих ядер до температуры ок. 10⁷ К. Такие Я. р. 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.

Длячастиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны Я. р. и Продукты Я. р. обычно β-радиоактивны, для Я. р.- обычно стабильные ядра.

Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов (с ат. н. больше 100) важное значение имеют Я. р., протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (²²Ne, ⁴⁰Ar и др.). Например, по Я. р. м. б. осуществлен синтез фермия. Для Я. р. с тяжелыми ионами характерно большое число выходных каналов. Например, при бомбардировке ядер ²³²Th ионами ⁴⁰Ar образуются ядра Ca, Ar, S, Si, Mg, Ne.

Для осуществления Я. р. под действиемквантов пригодны кванты высоких энергий (десятки МэВ).Кванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие под действием налетающихквантов Я. р. 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 Я. р. дают разнообразную информацию о внутр. строении ядер. Я. р. с участием нейтронов позволяют получать огромное количество энергии в ядерных реакторах. В результате Я. р. деления под действием нейтронов образуется большое число разл. радионуклидов, которые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев Я. р. позволяют получать меченые соединения. Я. р. лежат в основе активационного анализа. С помощью Я. р. осуществлен синтез искусственных хим. элементов (технеция, прометия, трансурановых элементов, трансактиноидов).

^{Лит.: Давыдов А. С, Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., 1965; Вильдермут К., Тан Я., Единая теория ядра, пер. с англ., М., 1980.}

_{С. С. Бердоносов}