Ядерні реакції та їх класифікація

Ядерні реакції – перетворення ядер при їх взаємодії з легкими частинками або іншими ядрами. Така взаємодія виникає при зближенні реагуючих часток до відстаней ~ 10^{-15 м} . Найбільш поширеним типом ядерних реакцій є взаємодія легкої частинки a з ядром Х, в результаті якої виникають легка частинка b (або b, c, d, …)і ядро Y:

, (8.32)

що скорочено позначають Х(а,b)Y. Вживається також лаконічне позначення ядерних реакцій типу (а,b). В якості легких часток можуть фігурувати: нейтрон, протон, дейтрон, a -частинка, g -квант (інколи – електрон, нейтрино, інші елементарні частинки). Наприклад, перша ядерна реакція, здійснена Е. Резерфордом (1919 р.), мала вигляд: . Ядерні реакції – основний метод вивчення структури ядра і його властивостей.

Ядерні реакції часто можуть протікати кількома способами, наприклад: , , . Сукупність частинок, що зазнають зіткнень, називають вхідним каналом ядерної реакції. Частинки, що народжуються внаслідок ядерної реакції, утворюють вихідний канал ядерної реакції.

Кількісне описання ядерних реакцій з квантово-механічної точки зору може бути тільки статистичним, тому для характеристики ядерних реакцій та різних видів взаємодій в них вводяться поняття виходу ядерної реакції w та ефективного перерізу взаємодії s.

Вихід ядерної реакції w – доля часток, що зазнали взаємодії. Якщо з потоку часток N, що падають на деяку мішень, зазнають взаємодії D N часток, то ймовірність взаємодії . З другого боку, очевидно, , де S – площа поверхні мішені, а – ефективна площа взаємодії; s – ефективна площа взаємодії одного ядра, d – товщина мішені, n – концентрація ядер мішені. Тому і

(8.33)

Величина s характеризує ймовірність взаємодії в розрахунку на одне ядро в шарі одиничної товщини. Вона має розмірність площі, її прийнято вимірювати в барнах; 1 б = 10^{-28 м 2}.

Ядерні реакції можна класифікувати: за енергією часток, що їх викликають, за природою часток, за масовим числом ядер, які беруть участь у реакціях; за енергетичним ефектом; за характером ядерних перетворень. Зокрема, розрізняють ядерні реакції:

- при малих, низьких, середніх, значних, високих, і надвисоких енергіях;

- під дією нейтронів, фотонів, заряджених частинок;

- на легких, середніх і масивних ядрах;

- радіаційного захоплення, кулонівського збудження, поділу ядер, ядерного фотоефекту та ін.

У будь-якій ядерній реакції виконуються закони збереження електричного заряду, енергії, імпульсу, момента імпульсу та деякі інші, більш екзотичні, про які йтиме мова у наступному параграфі. Вони відіграють особливо важливу роль, оскільки дозволяють передбачати які з ядерних реакцій можливі.

Енергію реакції можна розрахувати на основі формули (8.7), де D m – дефект маси реакції, який визначається співвідношенням

. (8.34)

Якщо енергія виділяється; якщо енергія поглинається. При цьому для ендотермічних реакцій характерним є енергетичний поріг – мінімальне значення енергії часток, що стикаються, при якому реакція може відбуватися.

Стосовно механізму ядерних реакцій при низьких енергіях Н. Бор припустив, що вони здійснюються у два етапи. На першому етапі ядро Х захоплює частинку а; в результаті цього виникає проміжне компаунд-ядро П (складене ядро). За рахунок енергії частинки а (кінетичної та енергії зв’язку), яка перерозподіляється між нуклонами ядра, проміжне ядро стає збудженим. На другому етапі збуджене компаунд-ядро П випромінює частинку b і перетворюється в ядро Y; в цілому процес має вигляд

. (8.35)

Середній час життя компаунд-ядра складає (10^-16 – 10^-12) с, він значно більший від часу проходження нуклоном ядра c, тому захоплення частинки а і випромінення частинки b – незалежні процеси.

Якщо , процес (8.35) називають розсіюванням; власне ядерна реакція має місце, якщо a не тотожне з b. При енергії збудження компаунд-ядра П, меншій необхідної для відокремлення від нього часток, єдиний шлях його перетворення – випромінювання g -квантів; такий процес називають радіаційним захопленням.

При великих енергіях бомбардуючих часток проміжне ядро не утворюється, процес має вигляд (8.32) і носить назву прямої ядерної взаємодії. Ілюстрацією таких процесів є так звана реакція зриву, коли ядро зриває один з нуклонів з пролітаючого повз нього дейтрона, або зворотна їй реакція підхоплення, коли пролітаючий повз ядро нуклон підхоплює відповідний нуклон ядра з утворенням дейтрона.

Найчисленнішими є реакції, які викликаються нейтронами. Завдяки відсутності електричного заряду нейтрону не доводиться долати потенціальний бар’єр ядра, тому в ядра легко проникають навіть теплові нейтрони з енергією Е ~ 0,03 еВ. Як правило, для захоплення нейтронів має місце монотонна залежність , однак спостерігаються випадки резонансного захоплення нейтронів. Так, для s різко зростає при Е = 7 еВ, досягаючи 23000 барн. Таке резонансне поглинання має місце, коли енергія, внесена нейтроном у компаунд-ядро, рівна тій, яка необхідна для його переводу на збуджений енергетичний рівень.

Цікавою є реакція , яка постійно відбувається в атмосфері Землі під дією нейтронів космічних променів. Вона приводить до виникнення радіовуглецю з періодом піврозпаду 5730 р. Він служить «годинником» для антропологів, подібно, як уран для геологів.