Ядерные реакции и их основные типы

Ядерная реакция — это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в т. ч. и с у-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

X + а —> Y + b, или X (a, b) Y,.

где X и Y — исходные и конечные ядра; а и b — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением о. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают свое эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния; эффективное сечение поглощения.

Эффективное сечение ядерной реакции о находится по формуле.

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

Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов — барн (1 барн= КГ²⁸ м²).

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

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

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

Первая стадия — это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 2−10″^|5м), 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) или а-частица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции — распад составного ядра на ядро У и частицу Ь.

В ядерной физике вводится характерное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра (d «10 ¹⁵ м).

Ядериые реакции классифицируются по следующим признакам:

• • по роду участвующих в них частиц — реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, а-частиц); реакции под действием у-квантов;
• • по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях (порядка электронвольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких МэВ), происходящие с участием у-квантов и заряженных частиц (протоны, а-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (согни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
• • по роду участвующих в них ядер — реакции на легких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);
• • по характеру происходящих ядерных превращений — реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние происходит при испускании одного или нескольких у-квантов).