§ 262. Ядерные реакции и их основные типы

Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии с эле­ментарными частицами (в том числе и с g-квантами) или друг с другом. Наибо­лее распространенным видом ядерной ре­акции является реакция, записываемая символически следующим образом:

X + a®Y+b, или X(a,b)Y,

где X и Y — исходное и конечное ядра, а и b — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В ядерной физике эффективность вза­имодействия характеризуют эффективным сечением ст. С каждым видом взаимодейст­вия частицы с ядром связывают свое эф­фективное сечение: эффективное сечение рассеяния определяет процессы рассея­ния, эффективное сечение поглощения — процессы поглощения. Эффективное сече­ние ядерной реакции

s=dN/nNdx,

где N — число частиц, падающих за еди­ницу времени на единицу площади попере­чного сечения вещества, имеющего в еди­нице объема n ядер, dN— число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сече­ние о имеет размерность площади и ха­рактеризует вероятность того, что при па­дении пучка частиц на вещество произой­дет реакция.

Единица эффективного сечения ядер-

 

425

ных процессов — барн (1 барн =10^-28м²).

В любой ядерной реакции выполняют­ся законы сохранения электрических за­рядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступаю­щих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции. Выпол­няются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энер­гии), так и эндотермическими (с поглоще­нием энергии).

Важную роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло пред­положение Н. Бора (1936) о том, что ядер­ные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

X+a®C®Y+b.        (262.1)

Первая стадия — это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (при­мерно 2•10^-15м), и образование проме­жуточного ядра С, называемого состав­ным (или компаунд-ядром). Энергия вле­тевшей в ядро частицы быстро распреде­ляется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в воз­бужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нукло­нов (или их комбинация, например дейт­рон — ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, содержащее один протон и один нейтрон) или a-частица может получить энергию, достаточную для вылета из яд­ра. В результате возможна вторая ста­дия ядерной реакции — распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

В ядерной физике вводится характер­ное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра (d»10^-15м). Так, для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует ее скорости v»10⁷ м/с) характерное ядерное время t=10^-15м/10⁷м/с=10^-22с. С другой стороны, доказано, что время жизни со-

ставного ядра равно 10^-10 — 10^-12 с, т. е. составляет (10⁶— 10¹⁰)t. Это же озна­чает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столкнове­ний нуклонов между собой, т.е. перерас­пределение энергии между нуклонами дей­ствительно возможно. Следовательно, со­ставное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускание им частицы b) — вторая стадия ядерной реакции — не зависит от способа образования составно­го ядра — первой стадии.

Если испущенная частица тождествен­на с захваченной (bºа), то схема (262.1) описывает рассеяние частицы: упругое — при еb=е_a, неупругое — при Е_b¹Е_a. Ес­ли же испущенная частица не тожде­ственна с захваченной (b¹а), то имеем дело с ядерной реакцией в прямом смысле слова.

Некоторые реакции протекают без об­разования составного ядра, они называ­ются прямыми ядерными взаимодействия­ми (например, реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них частиц — реакции под .действием нейтро­нов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, a-частиц); реакции под действием g-квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реак­ции при средних энергиях (до несколь­ких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием g-квантов и заряженных частиц (протоны, a-частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рож­дению отсутствующих в свободном состоя­нии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер — реакции на легких ядрах (A<50); реак­ции на средних ядрах (50<A<100); реак­ции на тяжелых ядрах (А>100);

 

426

4) по характеру происходящих ядер­ных превращений — реакции с испускани­ем нейтронов; реакции с испусканием за­ряженных частиц; реакции захвата (в слу­чае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько g-квантов).

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота a-частицами, испускаемыми радиоактивным источником: