Ядерной реакцией называют процесс, который возникает в результате взаимодействия нескольких (обычно двух) сложных атомных ядер или элементарных частиц.
Типы ядерных реакций
Определение и основные понятия ядерных реакций
Определение
Под определение ядерной реакции подходит, в том числе, и упругое рассеяние частиц, при котором новые частицы не возникают, и не происходит возбуждения частиц, происходит только перераспределение энергии и импульса между ними.
Рассмотрим понятие ядерной реакции в узком смысле. В подобных реакциях среди исходных частиц имеется хотя бы одно ядро. Это ядро сталкивается с элементарной частицей или другим ядром. Как результат столкновения происходит ядерная реакция, и возникают новые частицы.
Обычно ядерные реакции проходят при действии ядерных сил, но возможны исключения. Так, расщепление ядра при воздействии на него $\gamma $- кванта с высокой энергией является ядерной реакцией, но эта реакция происходит под воздействием электромагнитных сил.
Универсальная и наглядная запись ядерной реакции заимствована их химии. В левой части записывают суму исходных частиц, ставят стрелку и в правой части пишут сумму конечных продуктов реакции. Так, выражение:
\[{}^1_1{p+{}^7_3{Li\to {}^1_0{n+}{}^7_4{Be}}}(1)\]значит, что происходит ядерная реакция при бомбардировке изотопа лития протонами, в результате получают нейтрон и изотоп бериллия.
Ядерные реакции иногда записывают в символической форме: $A(a,bcd\dots )B$, где $A$ - ядро мишени; $a$ - бомбардирующая частица; $bcd$ - частицы, которые испускаются в ходе ядерной реакции, $B$ - остаточное ядро. Заметим, что в скобках, после запятой пишут более легкие продукты реакции, вне скобок, тяжелые. В символическом виде реакцию (1) можно записать как:
\[{}^7{Li\ \left(p,n\right)}{}^7{Be}\left(2\right).\]Часто применяют еще более короткую запись ядерных реакций, при такой записи указывают только легкие частицы и не указывают ядра, которые участвовали в реакции. Так, запись ($p,n$) обозначает, что протон выбивает нейтрон, из какого - то ядра.
Количественно ядерные реакции описывают при помощи квантовой механики.
Типы ядерных реакций
Ядерные реакции делят в соответствии со следующими признаками:
- По типу частиц, которые принимают участие в этих реакциях (реакции при участии заряженных частиц, например, электронов, протонов и т.д.), реакций проходящие под воздействием квантов, реакции при участи нейтронов.
- По величине энергии частиц, которые вызывают ядерную реакцию. Реакции с участием нейтронов часто происходят при малых энергиях, порядка электрон-вольт. Ядерные реакции вызываемые $\gamma $- квантами и заряженными частицами возникают при средних энергиях в ${\approx 10}^6$эВ. Ядерные реакции, при которых возникают элементарные частицы, не существующие в свободном состоянии, протекают при больших энергиях в сотни и тысячи мега электрон-вольт.
- По типу ядер, которые участвуют в ядерных реакциях: легкие, средние и тяжелые ядра.
- В зависимости от характера превращений, которые происходят в реакции: испускание нейтронов, заряженных частиц, реакции захвата.
- В зависимости от механизма взаимодействия при реакции: реакции, идущие через составное ядро и прямые ядерные реакции.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. В чем заключаются особенности ядерных реакций проходящих под воздействием $\gamma $- квантов?
Решение. Ядерные реакции, которые происходят при воздействии $\gamma $- квантов еще называют фотоядерными. Эти реакции вызваны электромагнитными взаимодействиями.
Если энергия $\gamma $- кванта мала, то квант при взаимодействии с ядром испытывает только упругое рассеяние. Если энергия $\gamma $ кванта увеличивается, то появляется возможность реализации реакций типа ($\gamma ,n$); ($\gamma ,p$); ($\gamma ,\ 2n$) и т.д. Эти реакции аналогичны поглощению $\gamma -$квантов атомами, называют такие реакции ядерным фотоэффектом. При делении ядер велика вероятность реакции фотоделения ядра ($\gamma ,f$). Если энергии больше порога рождения мезона, то вместе с расщеплением ядра происходит процесс фоторождения, например, пионов.
Для реализации фотоядерных реакций энергия $\gamma $- кванта должна быть больше, чем энергия освобождения соответствующей частицы или группы частиц из ядра.
Особенностью фотоядерных реакций является существование огромных резонансов в сечениях поглощения $\gamma $ - квантов - больших и широких максимумов в зависимости эффективных сечений от энергии квантов. Для легких ядер (${}^{12}{C,\ {}^{16}O}$) этот максимум находится в области 20-25 МэВ, для средних и тяжелых: 13-18 МэВ. Ширина максимума составляет 3-4 МэВ. Максимальный вклад в полное сечение поглощения $\gamma $- квантов в области большого резонанса вносят реакции ($\gamma ,n$); ($\gamma ,p$). Сечение поглощения $\gamma $- квантов ядрами даже в области резонанса на один - два порядка меньше, сечения поглощения таких же $\gamma $- квантов, вызываемого атомными электронами. Фотоядерные реакции мало влияют на поглощение $\gamma $ - излучения веществом.
Энергетическое и угловое распределение частиц, вылетающих при ядерном фотоэффекте, не согласуется с концепцией Бора, так как считают, что поглощение $\gamma $ - кванта происходит на поверхности ядра одним или несколькими нуклонами. \textit{}
Пример 2
Задание. Что такое составное ядро при ядерных реакциях?
Решение. Многие ядерные реакции, которые протекают при невысоких энергиях, проходят через стадию образования, так называемого составного ядра (рис.1(С)).
Составное (промежуточное) ядро находится в возбужденном состоянии, время его жизни порядка $\tau \approx {10}^{-15}c$.
составного ядра ввел Н. Бор. Частица, которая проникает внутрь ядра, обычно сильно взаимодействует с его нуклонами, при этом энергия ее взаимодействия составляет примерно тот же порядок, что и кинетическая энергия сомой частицы. Поэтому вероятность захвата частицы ядром велика. Частица застревает в ядре, в результате взаимодействия с нуклонами энергия частицы уменьшается, частица довольно долго не может покинуть ядро. Частица, попав в ядро, теряет индивидуальность, и рассматривается как система новых нуклонов, присоединяясь к старым нуклонам ядра. Возникшая система нуклонов считается промежуточным ядром.
Составное ядро появляется в возбужденном состоянии и стремится потерять энергию возбуждения за счет возможного процесса. Это ядро принципиально схоже с радиоактивным ядром. Примером одного из возможных механизмов радиоактивного превращения может быть следующий: энергия захваченной частицы распределяется случайным образом между нуклонами составного ядра и в результате флуктуации концентрируется на одной из частиц. Эта частица вылетает из ядра. Совсем не обязательно, что вылетает из ядра та же частица, что была захвачена ядром.
Так, процесс столкновения частицы $a$ (рис.1) с ядром ($X$)разбивают на два этапа:
- Частица $a$ сближается с ядром $X$, образуется составное ядро C, которое находится в возбужденном состоянии.
- На втором этапе происходит распад составного ядра, при котором образуется новое ядро $Y$ и частица $b$.
Ядерная реакция изображается схемой:
\[a+X\to C\to b+Y.\]Читать дальше: токи Фуко.
Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line 20
Статьи по теме
Поможем выполнить
любую работу
