Реакции с образованием а-частиц

Очень шиооко используются в ялеоной (Ьизике оеакпии вила Гп. сО:

Для эффективного протекания (?1,а)-реакций нужны нейтроны с энергиями от 0,5 до ю МэВ. Однако в некоторых случаях энергия реакции настолько велика, а кулоновский барьер настолько мал, что реакция с большой вероятностью идёт на тепловых нейтронах.

Примерами таких реакций являются.

Реакция (34) применяется для регистрации тепловых нейтронов в различных борсодержащих счетчиках и ионизационных камерах. Эндотермической реакцией вида (л, а) является реакция.

Реакции деления под действием нейтронов

Деление ядер на две части с выделением энергии может происходить, если число нуклонов в них превышает 130. Удаётся расщепить и лёгкие ядра, но для этого им должна быть передана энергия, достаточная для преодоления барьера деления. Поэтому деление лёгких ядер происходит под действием частиц высокой энергии. Барьер деления нуклидов с А~ 130 равен юо МэВ, а нуклидов с Л"200 — только 30 МэВ. Барьер деления тяжёлых ядер (с Л >230) менее ю МэВ.

Деление тяжёлых ядер может происходить под действием протонов, альфаили других заряженных частиц. Однако важнейшим видом деления является деление под действием нейтронов.

При облучении тяжёлых ядер (тория, протактиния, урана, плутония и многих других) нейтронами с энергией ?">1 МэВ (а для некоторых изотопов урана и плутония даже тепловыми нейтронами) происходит реакция разделения тяжёлого ядра на два осколка с массами, примерно относящимися, как 2:3

где А₁+А₂=А+1, Zx+Z₂=Z, vчисло нейтронов, образующихся в процессе деления.

Реакция такого вида называется реакцией деления и обозначается знаком {п, f). Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжёлого) на две (иногда на три) части. Тяжёлые ядра (Z>90) делятся как после предварительного слабого возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Е_п~i МэВ, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление). Ядра с Z<90 делятся только вынужденным способом, причём энергия возбуждения, необходимая для деления, растёт с уменьшением параметра деления Z²/A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (т"ю*¹⁴ с).

Замечание. Барьер деления составного ядра, образованного путём захвата чётночётным ядром одного нейтрона, лежит ниже энергии связи последнего нейтрона. Так, для ²ззи, ²35U и ²39р_и энергия, выделяющаяся при захвате одного нейтрона, достаточна для преодоления барьера деления. В случае других ядер нейтрон должен обладать дополнительной кинетической энергией, чтобы стало возможным деление составного ядра.

В процессе деления ядра высвобождается энергия Q*200 МэВ, значительную часть которой уносят осколки в форме кинетической энергии. Осколки, образующиеся при делении, сильно перегружены нейтронами, вследствие чего они дают начало (^-радиоактивным цепочкам из продуктов деления. В процессе деления испускаются мгновенные (за время ю¹⁴ с;

2,5 нейтрона на один акт деления ²ззи) нейтроны. Продукты деления испускают запаздывающие (через некоторое время после деления; за время 0,05 c с; 1% от всех мгновенных) нейтроны. Мгновенные и запаздывающие нейтроны имеют энергию ог 7 МэВ.

При делении ядер под действием тепловых нейтронов число вторичных нейтронов на один акт деления, v_n, возрастает с увеличением массового числа делящихся ядер: v_n =2,080 (229Tb), 2,407 (²35U) и 3,832 (245cm). Число нейтронов увеличивается также с увеличением кинетической энергии нейтронов: например, при делении ²ззи под действием нейтронов с энергией 1,2 МэВ v_n=2,64.

Образование в ходе деления ядра нескольких нейтронов позволяет осуществить в атомном реакторе управляемую цепную реакцию деления.

Цепная ядерная реакция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

В процессе pраспада осколков освобождается 20 МэВ энергии, из которой 5 МэВ уносят мгновенные у-кванты, испусканием которых сопровождается деление. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии. При делении тяжёлого ядра на два осколка освобождается энергия, равная ~i, i МэВ на один нуклон. Мгновенные нейтроны испускаются движущимися осколками, запаздывающие — остановившимися продуктами деления после предварительного р—распада. Запаздывающие нейтроны образуют несколько моноэнергетических групп.

Процесс деления может происходить в несколько этапов. Например, при делении ядра урана.

Набор осколков деления может быть разнообразным, поэтому возможна также реакция деления урана с образованием осколков 'J?Ba ,.

осколок деления 'JJXe в результате трёх актов испускания электронов превращается в стабильный изотоп лантана, ‘39Ьа:

по.

~Кг:

Вынужденное деление слабовозбуждённых ядер урана и спонтанное деление происходят не симметрично относительно масс продуктов: отношение масс тяжёлого и лёгкого осколков равно примерно 3/2 (двугорбая массовая кривая, рис. 6). При делении ²35U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков, преимущественно неравной массы. Самый лёгкий из них имеет массовое число 72, самый тяжёлый — 161. Наиболее вероятно деление на осколки с отношением масс 3/2. Выход таких осколков достигает 6%, а осколков с равными массами — ю~² %• Такой характер распределения осколков по массам наблюдается для всех делящихся нуклидов, как при спонтанном делении, так и при делении возбуждённых составных ядер независимо от вида частиц, бомбардирующих исходные ядра. Кривые выхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер. Это говорит о том, что асимметрия масс в распределении осколков присуща самому механизму деления ядер.

Такая асимметричность деления осколков противоречит предсказаниям капельной модели ядра, так как бесструктурная капля с наибольшей вероятностью должна делиться на две равные части. Деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра как результат преимущественного образования ядер с заполненными оболочками, содержащими 50 и 82 нейтронов (магические числа). Асимметрия деления уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при больших её значениях исчезает. Например, в случае деления ²35U тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления составляет 0,01%, нейтронами с энергией 14 МэВ, а при энергии нейтрона более юо МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум — симметричное деление ядра.

Рис. 4. Зависимость выхода осколков деления -35U от их массового числа: 1 — тепловые нейтроны; 2 — быстрые нейтроны; 3 — нейтроны с энергией 14 МэВ (термоядерные нейтроны).

Деление энергетически выгодно (Q>o) при Z¹ja> (т.е. при Z>47), причём Q растёт с ростом Z²/A. Высота барьера деления убывает с ростом Z²/A и при Z²/A=454−49 становится равной нулю (Z"i2o). Вынужденное деление возможно только при предварительном возбуждении ядра на энергию, превышающую высоту барьера деления.

Деление ядер под действием тепловых нейтронов возможно только для чётно-нечётных или нечётно-нечётных ядер с Z>90. Изотопы ²35U, ²ззи и ²39Ри способны к делению под действием нейтронов любых энергий, в том числе — тепловых. Реакции деления других тяжёлых нуклидов имеют барьер; например, для деления ²з#и и ²з²ТЬ необходимы нейтроны с энергией выше 1 МэВ. Большинство элементов, более тяжёлых, чем висмут, делятся под воздействием протонов, если энергия протонов достаточно велика, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание ядра.

Сечение реакции деления зависит от вида ядер и энергии нейтронов. Например, высокоэнергетичные нейтроны с энергией в несколько десятков МэВ вызывают деление практически всех ядер, а нейтроны с энергией в несколько МэВ — деление только тяжёлых ядер А>2Ю.

Нейтроны с энергией порядка 1 МэВ вызывают деление ядер урана U, тория^.Th, протактиния Ра и плутония ^а^Ри. Нейтроны с энергией 0,001 — 0,5 эВ (тепловые нейтроны) активно вступают в реакции с ядрами ²³⁵U, ²³⁹Ри, ²³³U, ³³°Th. Испускаемые при делении ядер нейтроны могут вызывать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Наряду с делением ядра на две части в редких случаях происходит также деление на три части, причём третий осколок является лёгкой частицей (например, зН, 4-⁶⁸Не, ⁶Li или ^1(,Ве). Деление на три приблизительно равных осколка наблюдалось при бомбардировке ²3^{, 2}Th протонами высоких энергий (>юо МэВ).