Nuklearne reakcije i njihova klasifikacija. Nuklearne reakcije Klasifikacija nuklearnih reakcija

Definicija 1

Nuklearna reakcija u širem smislu, proces koji nastaje kao rezultat interakcije nekoliko kompleksa atomska jezgra ili elementarne čestice. Nuklearne reakcije nazivaju se i one reakcije u kojima je među početnim česticama prisutna barem jedna jezgra, koja se spaja s drugom jezgrom ili elementarnom česticom, uslijed čega dolazi do nuklearne reakcije i stvaraju se nove čestice.

Nuklearne reakcije u pravilu nastaju pod djelovanjem nuklearnih sila. Međutim, nuklearna reakcija nuklearnog raspada pod utjecajem $\gamma $ - visokoenergetskih kvanta ili brzih elektrona nastaje pod utjecajem elektromagnetskih, a ne nuklearnih sila, iz razloga što nuklearne sile ne djeluju na fotone i elektrone. Nuklearne reakcije uključuju procese koji nastaju kada se neutrini sudaraju s drugim česticama, ali se javljaju uz slabu interakciju.

Nuklearne reakcije se mogu odvijati u prirodnim uslovima (u dubinama zvijezda, u kosmičkim zracima). Proučavanje nuklearnih reakcija odvija se u laboratorijima koristeći eksperimentalne objekte u kojima se energija prenosi na nabijene čestice pomoću akceleratora. U ovom slučaju, teže čestice miruju i pozivaju se ciljne čestice. Napadaju ih lakše čestice, koje su dio ubrzanog snopa. U akceleratorima sudarajućih zraka, podjela na mete i snopove nema smisla.

Energija pozitivno nabijene čestice zraka mora biti reda ili veća od Kulonove potencijalne barijere jezgra. Godine 1932. J. Cockroft i E. Walton su bili prvi koji su umjetno podijelili jezgra litijuma bombardirajući ih protonima čija je energija bila manja od visine Kulonove barijere. Do prodora protona u jezgro litijuma došlo je kroz tunelski prijelaz kroz Kulonovu potencijalnu barijeru. Za negativno nabijene i neutralne čestice Kulonova potencijalna barijera ne postoji i nuklearne reakcije se mogu dogoditi čak i pri toplinskoj energiji upadnih čestica.

Najčešći i vizualni zapis nuklearnih reakcija preuzet je iz kemije. Na lijevoj strani je zbir čestica prije reakcije, a na desnoj strani je zbir konačnih produkta reakcije:

opisuje nuklearnu reakciju koja se javlja kao rezultat bombardiranja izotopa litijuma $()^7_3(Li)$ protonima, što rezultira proizvodnjom neutrona i izotopa berilija $()^7_4(Be)$.

Nuklearne reakcije se često pišu u simboličkom obliku: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, gdje je $A$ ciljno jezgro, $a$ je bombardirajuća čestica, $bcd\dots i\ B$ - - odnosno čestice i jezgro koje nastaju kao rezultat reakcije. Gornja reakcija se može prepisati kao $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Ponekad se koristi notacija go $(p,n)$, što znači izbacivanje neutrona iz određenog jezgra pod dejstvom protona.

Kvantitativni opis reakcija

Kvantitativni opis nuklearnih reakcija sa stanovišta kvantne mehanike moguć je samo statistički, tj. možemo govoriti o određenoj vjerovatnoći različitih procesa koji karakterišu nuklearnu reakciju. Dakle, reakcija $a+A\na b+B$, u čijem su početnom i konačnom stanju postoje po dvije čestice, u ovom razumijevanju u potpunosti karakterizira diferencijalni efektivni presjek raspršenja $d\sigma /d\Omega $ unutar tijela sječe $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, gdje su $\theta $ i $\varphi $ polarni i azimutalni uglovi odlaska jedne čestice, dok se ugao $\theta $ računa od početka kretanja bombardirajuće čestice. Ovisnost diferencijalnog poprečnog presjeka o uglovima $\theta $ i $\varphi $ naziva se kutna raspodjela čestica koje formiraju reakciju. Ukupni ili integralni poprečni presek, koji karakteriše intenzitet reakcije, je diferencijalni efektivni presek integrisan preko svih vrednosti uglova $\theta $ i $\varphi $:

Efektivni poprečni presjek se može tumačiti kao područje unutar koje će upadna čestica izazvati datu nuklearnu reakciju. Efektivni presjek nuklearne reakcije mjeri se u barnsima $1\ b=(10)^(-28)\ m^2$.

Nuklearne reakcije karakterizira prinos reakcije. Prinos nuklearne reakcije $W$ je udio čestica zraka koje su primile nuklearnu interakciju sa ciljnim česticama. Ako je $S$ površina poprečnog presjeka zraka, $I$ je gustina protoka zraka, tada $N=IS$ čestice padaju na istu ciljnu površinu svake sekunde. U prosjeku, $\trougao N=IS\sigma n$ čestica reaguju iz njih u sekundi, gdje je $\sigma $ efektivni poprečni presjek za reakciju čestica zraka, $n$ je koncentracija jezgara na meti. onda:

Različite klasifikacije nuklearnih reakcija

Nuklearne reakcije se mogu klasificirati prema sljedećim karakteristikama:

  • priroda čestica koje učestvuju u reakciji;
  • maseni broj jezgara koje učestvuju u reakciji;
  • iza energetskog (toplotnog) efekta;
  • o prirodi nuklearnih transformacija.

Na osnovu energetske vrijednosti $E$ čestica koje izazivaju reakcije razlikuju se sljedeće reakcije:

  • pri niskim energijama ($E\le 1\keV$);
  • pri niskim energijama ($1\ keV\le E\le 1\ MeV$);
  • pri srednjim energijama ($1\ MeV\le E\le 100\ MeV$);
  • pri značajnim energijama ($100\ MeV\le E\le 1\ GeV)$;
  • pri visokim energijama ($1\ GeV\le E\le 500\ GeV$);
  • pri ultra-visokim energijama ($E>500\GeV$).

U zavisnosti od energije čestice $a$, za iste jezgre $A$ dolazi do različitih transformacija u nuklearnim reakcijama. Na primjer, razmotrite reakciju bombardiranja izotopa fluora neutronima različitih energija:

Slika 1.

Ovisno o prirodi čestica koje učestvuju u nuklearnim reakcijama, dijele se na sljedeće vrste:

  • pod uticajem neutrona;
  • pod uticajem fotona;
  • pod uticajem naelektrisanih čestica.

Na osnovu masenog broja jezgara, nuklearne reakcije se dijele na sljedeće vrste:

  • na lakim jezgrima ($A
  • na srednjim jezgrama (50 USD
  • na masivnim jezgrama ($A >100$).

Na osnovu prirode transformacija koje se dešavaju u jezgru, reakcije se dijele na:

  • hvatanje zračenja;
  • Kulonova ekscitacija;
  • nuklearna fisija;
  • reakcija eksplozije;
  • nuklearni fotoelektrični efekat.

Kada se razmatraju nuklearne reakcije, koriste se sljedeći zakoni:

  • zakon održanja energije;
  • zakon održanja impulsa;
  • zakon održanja električnog naboja;
  • zakon o očuvanju barionskog naboja;
  • zakon održanja leptonskog naboja.

Napomena 1

Zakoni očuvanja omogućavaju da se predvidi koje mentalno moguće reakcije se mogu realizirati, a koje ne zbog neuspjeha jednog ili više zakona očuvanja. U tom odnosu, zakoni očuvanja igraju posebno važnu ulogu za nuklearne reakcije.

Nuklearnu reakciju karakterizira energija nuklearne reakcije $Q$. Ako se reakcija odvija oslobađanjem energije $Q >0$, tada se reakcija naziva egzotermna; ako se reakcija odvija uz apsorpciju toplote $Q

Nuklearna reakcija je složen proces preuređivanja atomskog jezgra. Kao i kod opisa strukture kernela, gotovo je nemoguće dobiti tačno rješenje problema. I baš kao što je struktura jezgra opisana različitim nuklearnim modelima, tok nuklearnih reakcija opisan je različitim reakcionim mehanizmima.

Postoji mnogo različitih mehanizama reakcija. Razmotrit ćemo samo glavne. Prvo će biti data klasifikacija reakcionih mehanizama, a zatim će se detaljnije razmotriti najvažniji od njih.

Reakcije ćemo klasificirati prema vremenu kada se pojave. Pogodno je koristiti kao vremensku skalu nuklearno vrijeme - vrijeme leta čestice kroz jezgro: t i = 2R/v≈10 -22 s. (9.11)

Koristićemo sljedeću klasifikaciju nuklearnih reakcija prema vremenu nastanka:

1. Ako je vrijeme reakcije t p ≈t i, onda je ovo direktna reakcija (vrijeme reakcije je minimalno).

2. Ako je t p >>t i, onda se reakcija odvija kroz jezgro jezgra.

U prvom slučaju (direktna reakcija)čestica a prenosi energiju na jedan ili dva nukleona jezgra bez uticaja na ostale, i oni odmah napuštaju jezgro bez vremena da razmijene energiju sa preostalim nukleonima. Na primjer, reakcija (p, n) može nastati kao rezultat sudara protona sa jednim neutronom jezgra. Direktni procesi uključuju reakcije skidanja (d,p), (d,n) i njihove inverzne reakcije podizanja (p,d), (n,d), reakcije fragmentacije, u kojima se nukleon visoke energije sudara s jezgrom. iz njega je izbačen fragment koji se sastoji od nekoliko nukleona.

U drugom slučaju (složeno jezgro)čestica a i nukleon na koji je prenijela energiju postaju "upleteni" u jezgro. Energija je raspoređena između mnogih nukleona, a za svaki nukleon nije dovoljno da pobjegne iz jezgra. Tek nakon relativno dugog vremena, kao rezultat slučajnih preraspodjela, koncentrira se u dovoljnoj količini na jedan od nukleona (ili objekt od nekoliko vezanih nukleona) i napušta jezgro. Mehanizam složenog jezgra uveo je Niels Bohr 1936. godine.

Zauzima srednju poziciju između mehanizma reakcije kroz jezgro spoja i mehanizma direktne reakcije. mehanizam predravnotežnih nuklearnih reakcija.

Vrijeme koje je potrebno za nuklearne reakcije može se odrediti analizom širine pobuđenih nuklearnih stanja.

Da bismo opisali elastično raspršenje usrednjeno preko nuklearnih rezonancija, koristimo se optički model, u kojem se kernel tretira kao kontinuum, sposoban da prelama i apsorbuje de Broljeve talase čestica koje padaju na njega.

Priroda nuklearne reakcije zavisi od niza faktora: tip čestice-projektila, tip ciljnog jezgra, energija njihovog sudara i neke druge, što svaku klasifikaciju nuklearnih reakcija čini prilično proizvoljnom. Najjednostavniji je klasifikacija prema vrsti čestice projektila. U okviru ove klasifikacije mogu se razlikovati sljedeće glavne vrste nuklearnih reakcija:

Reakcije pod uticajem protona, deuterona, α-čestica i drugih lakih jezgara. Upravo su te reakcije dale prve informacije o strukturi atomskih jezgara i spektrima njihovih pobuđenih stanja.

Reakcije sa teškim ionima na teška jezgra, što dovodi do fuzije sudarajućih jezgara. Ove reakcije su glavna metoda za proizvodnju superteških atomskih jezgara.

Reakcije fuzije lakih jezgara pri relativno niskim energijama sudara ( takozvane termonuklearne reakcije). Ove reakcije nastaju zbog kvantnog mehaničkog tuneliranja kroz Kulonovu barijeru. Termonuklearne reakcije teče unutar zvijezda na temperaturama od 10 7 -10 10 K i glavni su izvor energije za zvijezde.

Kulonova ekscitacija jezgara pod dejstvom protona, α-čestica i posebno multipliciranih jonizovanih teških jona elemenata kao što su ugljenik, azot, argon itd. Ove reakcije se koriste za proučavanje nižih rotacionih nivoa teških jezgara.

Reakcije pod uticajem neutrona, prvenstveno (n, n), (n, γ) i reakcije nuklearne fisije (n, f).

Od mnogih specifična svojstva imaju fotonuklearne i elektronuklearne reakcije koje nastaju prilikom sudara sa jezgrama γ-kvanta i elektrona sa energijom E>10 MeV.

Reakcije na snopovima radioaktivnih jezgara. Savremena tehnička sredstva omogućavaju stvaranje prilično intenzivnih snopova takvih jezgara, što otvara mogućnost dobijanja i proučavanja jezgara sa neobičnim omjerom broja protona i neutrona, daleko od linije stabilnosti.

Proučavanje nuklearnih reakcija odigralo je veliku ulogu u razvoju ideja o strukturi jezgri, koje su pružile opsežne informacije o spinovima i paritetima pobuđenih stanja jezgara i doprinijele razvoju modela ljuske. Proučavanje reakcija koje uključuju razmjenu nekoliko nukleona između sudarajućih jezgara omogućilo je proučavanje nuklearne dinamike u stanju s velikim kutnim momentom. Kao rezultat toga, otkrivene su duge rotacijske trake, koje su poslužile kao jedna od osnova za stvaranje generaliziranog modela jezgra. Kada se teška jezgra sudare, nastaju jezgre koje ne postoje u prirodi. Sinteza transuranski elementi je u velikoj mjeri zasnovan na fizici interakcije teških jezgara. U reakcijama s teškim ionima nastaju jezgra koja su udaljena od pojasa β-stabilnosti. Jezgre udaljene od pojasa β-stabilnosti razlikuju se od stabilnih jezgara po drugačijem odnosu između Coulombove i nuklearne interakcije, odnosu između broja protona i broja neutrona, te značajnim razlikama u energijama vezivanja protona i neutrona, što se očituje u novim vrstama radioaktivnog raspada - protonskoj i neutronskoj radioaktivnosti i nizu drugih specifične karakteristike atomska jezgra.
Prilikom analize nuklearnih reakcija potrebno je uzeti u obzir valnu prirodu čestica u interakciji s jezgrima. Talasna priroda procesa interakcije čestica sa jezgrima jasno se očituje u elastičnom raspršenju. Dakle, za nukleone s energijom od 10 MeV, smanjena de Broglieova valna dužina je manja od radijusa jezgra, a kada se nukleon rasprši, pojavljuje se karakterističan obrazac difrakcijskih maksimuma i minimuma. Za nukleone sa energijom od 0,1 MeV, talasna dužina je veća od poluprečnika jezgra i nema difrakcije. Za neutrone sa energijom<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Nuklearne reakcije su efikasna metoda za proučavanje nuklearne dinamike. Nuklearne reakcije nastaju kada dvije čestice međusobno djeluju. Tokom nuklearne reakcije, postoji aktivna razmjena energije i impulsa između čestica, što rezultira stvaranjem jedne ili više čestica koje odlijeću iz područja interakcije. Kao rezultat nuklearne reakcije dolazi do složenog procesa preuređivanja atomskog jezgra. Kao i kod opisivanja strukture jezgra, pri opisu nuklearnih reakcija gotovo je nemoguće dobiti točno rješenje problema. I baš kao što se struktura jezgra opisuje različitim nuklearnim modelima, tok nuklearne reakcije opisuje se različitim reakcionim mehanizmima. Mehanizam nuklearne reakcije zavisi od nekoliko faktora - vrste upadne čestice, tipa ciljnog jezgra, energije upadne čestice i niza drugih faktora. Jedan od ograničavajućih slučajeva nuklearne reakcije je direktna nuklearna reakcija. U ovom slučaju, upadna čestica prenosi energiju na jedan ili dva nukleona jezgra i oni napuštaju jezgro bez interakcije s drugim nukleonima jezgra. Karakteristično vrijeme za direktnu nuklearnu reakciju je 10 -23 s. Direktne nuklearne reakcije se javljaju na svim jezgrima pri bilo kojoj energiji upadne čestice. Direktne nuklearne reakcije se koriste za proučavanje jednočestičnih stanja atomskih jezgri, jer Reakcioni proizvodi nose informacije o položaju nivoa sa kojih je nukleon izbačen. Koristeći direktne nuklearne reakcije, dobijene su detaljne informacije o energijama i zauzimanju jednočestičnih stanja jezgara, što je činilo osnovu modela ljuske jezgra. Drugi ograničavajući slučaj su reakcije koje se dešavaju kroz formiranje složenog jezgra.

Opis mehanizma nuklearnih reakcija dat je u radovima W. Weiskopfa.

V. Weiskopf: “Šta se događa kada čestica uđe u jezgro i sudari se s jednim od nuklearnih sastojaka? Slika ilustruje neke od ovih mogućnosti.
1) Padajuća čestica gubi dio svoje energije, podižući nuklearnu česticu u više stanje. To bi bio rezultat neelastičnog raspršenja ako čestica koja dolazi ima dovoljno energije da ponovo pobjegne iz jezgra. Ovaj proces se naziva direktno neelastično raspršenje jer uključuje raspršivanje samo jedne komponente jezgre.
2) Padajuća čestica prenosi energiju na kolektivno kretanje, kao što je simbolično prikazano na drugom dijagramu slike, ovo je također direktna interakcija.
3) Na trećem dijagramu slike, prenesena energija je dovoljno velika da iščupa nukleon iz mete. Ovaj proces također doprinosi direktnoj nuklearnoj reakciji. U principu, ne razlikuje se od 1), odgovara „reakciji razmjene“.
4) Dolazna čestica može izgubiti toliko energije da ostane vezana unutar jezgra, prenesenu energiju može preuzeti nisko ležeći nukleon na takav način da ne može napustiti jezgro. Tada dobijamo pobuđeno jezgro koje ne može da emituje nukleon. Ovo stanje nužno dovodi do daljeg pobuđivanja nukleona unutrašnjim sudarima, pri čemu se energija po pobuđenoj čestici u prosjeku smanjuje, tako da u većini slučajeva nukleon ne može napustiti jezgro. Posljedično, doći će do stanja s vrlo dugim životnim vijekom, koje se može raspasti samo ako jedna čestica, sudarima unutar jezgra, slučajno dobije dovoljno energije da napusti jezgro. Ovu situaciju nazivamo formiranjem složenog jezgra. Energija se također može izgubiti zračenjem, nakon čega emisija čestice postaje energetski nemoguća: upadni nukleon će doživjeti radijacijsko hvatanje.
5) Formiranje složenog jezgra može se izvršiti u dva ili više koraka ako, nakon procesa tipa 1) ili 2), upadni nukleon udari drugi nukleon na svom putu i pobuđuje ga na takav način da pobjegne iz ispostavilo se da je jezgro nemoguće za bilo koji nukleon.”

Po prvi put ideju o nastanku nuklearne reakcije kroz fazu složenog jezgra iznio je N. Bohr. Prema modelu složenog jezgra, upadna čestica, nakon interakcije s jednim ili dva nukleona jezgra, prenosi većinu svoje energije na jezgro i hvata jezgro. Životni vijek složenog jezgra je mnogo duži od vremena leta upadne čestice kroz jezgro. Energija koju upadna čestica unese u jezgro se redistribuira između nukleona jezgra sve dok se značajan dio ne koncentriše na jednu česticu i zatim izleti iz jezgra. Formiranje dugovječnog pobuđenog stanja može dovesti do njegove fisije kao rezultat deformacije.

N. Bor: „Fenomen hvatanja neutrona navodi nas na pretpostavku da sudar između brzog neutrona i teškog jezgra mora dovesti prvenstveno do formiranja složenog sistema koji karakteriše izuzetna stabilnost. Eventualni naknadni raspad ovog međusistema emisijom materijalne čestice ili prelazak u konačno stanje sa emisijom kvanta energije zračenja treba posmatrati kao samostalne procese koji nemaju direktnu vezu sa prvom fazom sudara. Ovdje nailazimo na značajnu razliku, do tada neprepoznatu, između stvarnih nuklearnih reakcija - običnih sudara brzih čestica i atomskih sistema - sudara, koji su nam do sada bili glavni izvor informacija o strukturi atoma. Zaista, mogućnost brojanja pojedinačnih atomskih čestica kroz takve sudare i proučavanje njihovih svojstava je posljedica, prije svega, „otvorenosti“ sistema koji se razmatra, što čini razmjenu energije između pojedinačnih sastavnih čestica tokom udara vrlo malo vjerojatnom. . Međutim, zbog bliskog pakiranja čestica u jezgri, moramo biti spremni na činjenicu da upravo ta izmjena energije igra glavnu ulogu u tipičnim nuklearnim reakcijama.”

Klasifikacija nuklearnih reakcija. Nuklearne reakcije su efikasno sredstvo za proučavanje strukture atomskih jezgara. Ako je valna duljina upadne čestice veća od veličine jezgre, tada se u takvim eksperimentima dobivaju informacije o jezgri kao cjelini. Ako je veličina jezgra manja, tada se iz presjeka reakcije izdvaja informacija o raspodjeli gustoće nuklearne materije, strukturi površine jezgra, korelaciji između nukleona u jezgru i raspodjeli nukleona u jezgri. školjke.

  • Kulonova ekscitacija jezgara pod uticajem naelektrisanih čestica relativno velike mase (protona, α-čestica i teških jona ugljenika i azota) koristi se za proučavanje nisko ležećih rotacionih nivoa teških jezgara.
  • Reakcije s teškim ionima na teška jezgra, koje dovode do fuzije sudarajućih jezgara, glavna su metoda za proizvodnju superteških atomskih jezgara.
  • Reakcije fuzije lakih jezgara pri relativno niskim energijama sudara (tzv. termonuklearne reakcije). Ove reakcije nastaju zbog kvantnog mehaničkog tuneliranja kroz Kulonovu barijeru. Termonuklearne reakcije se odvijaju unutar zvijezda na temperaturama od 10 7 –10 10 K i glavni su izvor energije za zvijezde.
  • Fotonuklearne i elektronuklearne reakcije nastaju u sudarima sa jezgrama γ-kvanta i elektrona sa energijom E > 10 MeV.
  • Reakcije fisije teških jezgara, praćene dubokim restrukturiranjem jezgra.
  • Reakcije pomoću snopa radioaktivnih jezgara otvaraju mogućnost dobijanja i proučavanja jezgara sa neobičnim omjerom broja protona i neutrona, daleko od linije stabilnosti.

Nuklearne reakcije se obično klasificiraju prema vrsti i energiji upadne čestice, tipu ciljnih jezgara i energiji upadne čestice.

Reakcije sa sporim neutronima

“1934. Jednog jutra Bruno Pontecorvo i Eduardo Amaldi testirali su neke metale na radioaktivnost. Ovi uzorci su oblikovani u male, šuplje cilindre jednake veličine, unutar kojih je mogao biti smješten izvor neutrona. Da bi se takav cilindar ozračio, u njega je umetnut izvor neutrona, a zatim je sve stavljeno u olovnu kutiju. Ovog značajnog jutra, Amaldi i Pontecorvo su izveli eksperimente sa srebrom. I odjednom je Pontecorvo primetio da se nešto čudno dešava sa srebrnim cilindrom: njegova aktivnost nije uvek bila ista, menjala se u zavisnosti od toga gde je bio postavljen, u sredini ili u uglu olovne kutije. U potpunom zaprepašćenju, Amaldi i Pontecorvo otišli su da prijave ovo čudo Fermiju i Rasettiju. Franke je bio sklon da ove neobičnosti pripiše nekoj statističkoj grešci ili netačnim mjerenjima. A Enrico, koji je vjerovao da svaka pojava zahtijeva provjeru, predložio je da pokušaju ozračiti ovaj srebrni cilindar izvan olovne kutije i vidjeti šta će iz njega ispasti. A onda su počeli da doživljavaju apsolutno nevjerovatna čuda. Ispostavilo se da objekti koji se nalaze u blizini cilindra mogu uticati na njegovu aktivnost. Ako je cilindar bio ozračen dok je stajao na drvenom stolu, njegova aktivnost je bila veća nego kada je stavljen na metalnu ploču. Sada se cijela grupa zainteresirala za ovo i svi su učestvovali u eksperimentima. Postavili su izvor neutrona izvan cilindra i postavili različite predmete između njega i cilindra. Olovna ploča je malo povećala aktivnost. Olovo−teška supstanca. „Hajde, hajde da sada probamo onaj lakši!”−predloži Fermi.−Recimo parafin." Ujutro 22. oktobra izveden je eksperiment sa parafinom.
Uzeli su veliki komad parafina, izdubili rupu u njemu, stavili izvor neutrona unutra, ozračili srebrni cilindar i odneli ga do Gajgerovog brojača. Mjerač je škljocnuo kao da je otkinuo lanac. Cijela zgrada je grmjela od uzvika: „Nezamislivo! Nezamislivo! Crna magija!" Parafin je stostruko povećao vještačku radioaktivnost srebra.
U podne se grupa fizičara nevoljko razišla na pauzu predviđenu za doručak, koja je obično trajala dva sata... Enrico je iskoristio svoju usamljenost, a kada se vratio u laboratorij, već je imao spremnu teoriju koja je objašnjavala čudna akcija parafin."

11.1. Definicija i klasifikacija nuklearnih reakcija. Postoje različita tumačenja pojma nuklearne reakcije. U širem smislu, nuklearna reakcija je svaki proces koji počinje sudarom dviju, rijetko više, čestica (jednostavnih ili složenih) i odvija se, u pravilu, uz sudjelovanje jakih interakcija. Ovu definiciju zadovoljava nuklearne reakcije u užem smislu riječi, koji se podrazumijevaju kao procesi koji počinju sudarom jednostavne ili složene čestice (nukleon, α- čestica, γ-kvant) sa jezgrom. Imajte na umu da definicija reakcije zadovoljava as poseban slučaj, i raspršivanje čestica. U nastavku su navedena dva primjera nuklearnih reakcija.

Istorijski gledano, prva nuklearna reakcija (Rutherford, 1919 - otkriće protona):

α + 14 N → 17 O + r.

Otkriće neutrona (Chadwick, 1932):

α + 9 Be → 12 C + n.

Proučavanje nuklearnih reakcija neophodno je za dobijanje informacija o svojstvima novih jezgara i elementarnih čestica, pobuđenim stanjima jezgara itd. Ne treba zaboraviti da se u mikrosvijetu, zbog prisustva kvantnih zakona, čestica ili jezgro ne može „gledati“. Stoga je glavna metoda proučavanja mikroobjekata proučavanje njihovih sudara, odnosno nuklearnih reakcija. U smislu primjene, nuklearne reakcije su potrebne za korištenje nuklearne energije, kao i za proizvodnju umjetnih radionuklida.

Nuklearne reakcije se mogu javiti u prirodni uslovi(na primjer, u unutrašnjosti zvijezda ili u kosmičkim zracima). Ali njihovo proučavanje se obično provodi u laboratorijskim uvjetima, u eksperimentalnim objektima. Za izvođenje nuklearnih reakcija potrebno je čestice ili jezgre dovesti zajedno s jezgrama na udaljenosti reda radijusa djelovanja nuklearnih sila. Kulonova barijera sprečava naelektrisane čestice da priđu jezgrima. Stoga se koriste za izvođenje nuklearnih reakcija na nabijenim česticama akceleratori, u kojem čestice, ubrzavajući se u električnom polju, dobijaju energiju potrebnu za savladavanje barijere. Ponekad je ova energija uporediva sa energijom mirovanja čestice ili je čak prevazilazi: u ovom slučaju, kretanje je opisano zakonima relativističke mehanike. U konvencionalnim akceleratorima ( linearni akcelerator, ciklotron itd.) teža od dvije čestice u sudaru po pravilu miruje, a lakša se sudari s njom. Čestica koja miruje naziva se cilj (engleski– cilj). Napadači, ili bombardovanje, čestice na ruskom nisu dobile posebno ime (u engleski koristi se termin projektil – projektil). U akceleratorima sudarajućih zraka ( sudarači) obje se sudarajuće čestice kreću, pa podjela na metu i snop upadnih čestica gubi smisao.

Energija nabijene čestice u reakciji može biti manja od visine Kulonove barijere, kao što je bio slučaj u klasičnim eksperimentima J. Cockcrofta i E. Waltona, koji su 1932. umjetno cijepali litijeva jezgra bombardirajući ih ubrzanim protonima. . U njihovim eksperimentima, prodor protona u ciljno jezgro se dogodio tuneliranjem kroz Kulonovu potencijalnu barijeru (vidi predavanje 7). Vjerovatnoća takvog procesa je, naravno, vrlo mala zbog niske transparentnosti barijere.

Postoji nekoliko načina za simbolično pisanje nuklearnih reakcija, od kojih su dva navedena u nastavku:

Kolekcija sudarajućih čestica u određenom kvantnom stanju (npr. r i 7 Li) se nazivaju ulazni kanal nuklearna reakcija. U sudarima istih čestica (fiksni ulazni kanal), u opštem slučaju, mogu se pojaviti različiti produkti reakcije. Dakle, u sudarima protona sa 7 Li, reakcije 7 Li( str, 2α), 7 Li( str, n) 7 Be, 7 Li( str, d) 6 Be, itd. U ovom slučaju govorimo o konkurentskim procesima, ili o skupu izlaznih kanala.

Nuklearne reakcije se često pišu u još kraćem obliku: ( a, b) – tj. označavajući samo svjetlosne čestice, a ne označavajući jezgre uključene u reakciju. Na primjer, unos ( str, n) znači izbacivanje neutrona iz jezgra protonom, ( n, γ ) – apsorpcija neutrona jezgrom sa emisijom γ -kvanta itd.

Klasifikacija nuklearnih reakcija može se izvesti prema sljedećim kriterijima:

I. Po vrsti procesa

1) hvatanje zračenja: ( n, γ ), (str, γ )

2) nuklearni fotoelektrični efekat: ( γ , n), (γ , str)

3) nukleon-nukleon reakcije:

a) nokautiranje nukleona ili grupe nukleona ( n,str), (str, α), itd.

b) “isparavanje” nukleona ( str, 2n), (str, 2str) itd.

c) kvar ( d,str), (d,n) i preuzimanje ( str,d), (n,d)

4) podjela: ( n, f), (str, f), (γ , f)

5) sinteza (fuzija)

6) neelastično rasipanje: ( n,n')

7) elastično rasipanje: ( n,n)

II. Zasnovano na oslobađanju ili apsorpciji energije

1) egzotermne reakcije

2) endotermne reakcije

III. Energijom bombardirajućih čestica

1) niske energije (< 1 кэВ)

2) srednje energije (1 keV-10 MeV)

3) visoke energije (> 10 MeV)

IV. Masom bombardovanih jezgara

1) na lakim jezgrima ( A < 50)

2) na jezgrima srednje mase (50<A < 100)

3) na teška jezgra ( A > 100)

V. Po vrsti bombardirajućih čestica

1) na nabijenim česticama ( str, d, α i teži joni)

2) na neutrone

3) na fotonima (fotonuklearne reakcije)

11.2. Zakon održanja energije. Za samu nuklearnu reakciju opšti pogled

A + B → C+ D+E+…

Zapišimo zakon održanja energije u terminima energije mirovanja i kinetičke energije:

Magnituda Q, definiran kao razlika energije mirovanja:

pozvao reakciona energija. Očigledno je da

Ako Q> 0, onda se ova reakcija zove egzotermna. U ovom slučaju Q je razlika između kinetičkih energija svih učesnika u reakciji prije i nakon ekspanzije, definirana u koordinatnom sistemu povezanom sa centrom inercije (SCI, ili ts-sistem). Egzotermna reakcija se može dogoditi pri bilo kojoj vrijednosti kinetička energija sudarajuće čestice, uključujući i na nuli.

Ako Q < 0, то реакцию называют endotermni. Reverzna reakcija egzotermne reakcije je uvijek endotermna, i obrnuto. Veličina – Q V ts-sistem je minimalna kinetička energija sudarajućih čestica pri kojoj je reakcija još uvijek moguća, ili, prag reakcije.

Prilikom prelaska na laboratorijski koordinatni sistem (slika 11.1), LCS ili jednostavno l-sistem, u kojem jedna od reagujućih čestica miruje - ciljna vrijednost praga reakcije E por povećava jer dio kinetičke energije odlazi na kretanje centra inercije koje je beskorisno za reakciju. Zaista, kinetička energija kretanja centra inercije može biti proizvoljno velika, ali ako čestice miruju jedna u odnosu na drugu, reakcija se neće dogoditi.

Za određivanje praga reakcije u l-sistem Iskoristimo činjenicu da masa, a time i energija mirovanja, jeste invarijantna, tj. veličina koja ne zavisi od izbora koordinatnog sistema. Jer , zatim za bilo koji broj čestica

Ako je u reakciji koja se razmatra cilj je čestica IN, zatim unutra l-sistem

IN ts-sistem

Kao što je gore pomenuto, prag je ts-sistem odgovara rađanju čestica WITH, D itd. sa nultom kinetičkom energijom, tj. itd. I . Invarijantna masa u l-sistem

Invarijanta mase koja odgovara pragu u ts-sistem

Ako sada izjednačimo dvije dobivene invarijante za , Onda


. (11.3)

Stoga je prag endotermne reakcije uvijek veći od energije reverzne egzotermne reakcije Q. Kao što se može vidjeti iz rezultirajućeg izraza, što je veća masa mete, to je niži prag za endotermnu reakciju.

11.3. Uloga orbitalnog momenta. Ugaoni impuls čestice sa impulsom r, incident na stacionarnom jezgru, jednak je pb, Gdje b– parametar ciljanja. Prema klasičnim konceptima, reakcija može nastupiti samo u slučajevima kada je ovaj udarni parametar manji od radijusa djelovanja nuklearnih sila, tj. b < R. U kvantnoj mehanici, vrijednost orbitalnog momenta

( – de Broglie talasna dužina). Tada nejednakost mora da važi

. (11.4)

Za neutron sa energijom T= 1 MeV, tj. uporedivi sa veličinom jezgra. Za neutrone i protone sa nižom energijom ona je mnogo veća. Dakle, za čestice niske i srednje energije nejednakost (11.4) je zadovoljena, strogo govoreći, samo pod uslovom l= 0 (rjeđe sa l = 1).

Uzimajući u obzir kvantna svojstva sistema, reakcija je u principu moguća za bilo koji l, ali vjerovatnoća reakcije naglo opada ako relacija (11.4) nije zadovoljena. Razlog je taj što neutroni u ovom slučaju moraju savladati centrifugalnu barijeru. Ali, kao što je pokazano pri razmatranju emisije γ-kvanta od strane jezgara (predavanje 9), koeficijent transparentnosti centrifugalne barijere

,

one. naglo opada s rastom l. Ako dugovalna aproksimacija više ne vrijedi (tj. bombardirajuće čestice imaju vrlo veliku energiju), interakcija je također moguća sa l, različito od nule.

11.4. Poprečni presjek i prinos nuklearne reakcije. Kvantitativni opis nuklearnih reakcija u terminima kvantna mehanika možda samo statistički, tj. onaj u kojem, u principu, možemo govoriti samo o vjerovatnoći same reakcije. Glavne vjerovatnoće nuklearnih reakcija su odjeljak I izlaz, čija je definicija data u nastavku. Neka, kada protok čestica padne A na tanku (ali makroskopsku) metu koja sadrži jezgre IN, formira se dN C jezgra WITH(Sl. 11.2). Ova količina je proporcionalna broju čestica A, brojna gustina ciljnih čestica n B(m–3) i debljinu cilja dx(m):

.

Sekcija reakcije A + IN → WITH+ ··· se tada definiše kao koeficijent proporcionalnosti, tj.

, (11.5)

Iz definicije (11.5) proizlazi da presjek ima dimenziju površine (m2). IN nuklearna fizika 1 se koristi kao jedinica sekcije štala: 1 b = 10 –28 m2.

Vizualno, poprečni presjek se može smatrati efektivnom površinom mete, pri ulasku u koju čestica izaziva potrebnu reakciju. Ali zbog valnih svojstava čestica, takva interpretacija ima ograničen raspon primjenjivosti. Zaista, sa stanovišta kvantne mehanike, postoji vjerovatnoća različita od nule da će čestica proći bez otklona kroz područje u kojem sile djeluju na nju. Tada će stvarni presjek reakcije biti manji presjek područje u kojem dolazi do interakcije. U ovom slučaju, po analogiji s optikom, naziva se ciljno jezgro djelimično transparentan, ili siva.

U stvarnim fizičkim eksperimentima nije uvijek moguće izmjeriti poprečni presjek reakcije. Direktno mjerljiva veličina je izlaz reakcija, definirana kao udio čestica zraka koje su reagirale s ciljnim jezgrama. Izrazimo prinos reakcije u smislu njegovog poprečnog presjeka, pod uslovom da potonji ostane konstantan dok upadne čestice prolaze kroz metu. Broj jezgara WITH, nastao u tankom sloju mete kao rezultat reakcije sa česticama A, jednako

,

Gdje N 0 – ukupan brojčestice A, uhvaćen u debeli sloj dx, N A– broj čestica koje prolaze kroz sloj bez reakcije. Odavde . Tada, u skladu sa (11.5),

Broj čestica A, prolazeći kroz ciljni sloj konačne debljine h, nalazimo integracijom ove jednadžbe:

,

Koristeći definiciju prinosa reakcije kao frakcije čestica koje su prošle transformaciju, nalazimo da

Tanka meta odgovara malom eksponentu eksponenta u poređenju sa jedinicom. U ovom slučaju, proširenje (11.6) u Taylorov red daje

11.5. Mehanizmi nuklearnih reakcija. Pored klasifikacije date u paragrafu 11.1., nuklearne reakcije se razlikuju po vremenu, a samim tim i po mehanizmu njihovog nastanka. Zgodno je koristiti nuklearno vrijeme kao vremensku skalu - vrijeme leta čestice kroz jezgro: τ I = 2R/v≈ 10–22 s (odjeljak 2.2). Očigledno je da τ otrov– minimalno vrijeme potrebno da se završi elementarni čin najbrže reakcije.

Koristićemo sljedeću klasifikaciju reakcija prema njihovom mehanizmu. Ako je vrijeme elementarnog čina t r ≈ τ otrov, takve reakcije se nazivaju ravno. U slučaju direktnih reakcija, čestica a prenosi energiju na jedan ili više nukleona jezgra A, nakon čega odmah napuštaju jezgro, a da nemaju vremena za razmjenu energije s ostatkom:

a + A → b + B.

Ako t r >> τ otrov, tada reakcija prolazi kroz fazu formiranja složeno jezgro:

a + A → WITH* → b + B.

Koncept složenog jezgra u fiziku je uveo N. Bohr 1936. godine. Složeno jezgro SA*– pobuđeno stanje jezgra WITH, i energiju pobude

(11.7)

Gdje T a– kinetička energija čestice A,W a– energija njegovog odvajanja od jezgra WITH. Energija pobude je podijeljena između A+ A nukleona složenog jezgra, a u prosjeku ih ima po nukleonu

. (11.8)

Dakle, svaki od nukleona pojedinačno nema dovoljno energije za emisiju. Kao rezultat mnogih sudara, čestica A„zapliće se“ u jezgro i gubi svoju individualnost. Tek nakon nekog vremena t r>> τ otrov kao rezultat nasumične preraspodjele energije, dovoljna količina energije može se koncentrirati na jedan od nukleona (ili grupu nukleona). U ovom slučaju, nukleon (grupa nukleona) napušta složeno jezgro i raspada se.

Približno procijenite prosječni životni vijek složenog jezgra SA* može se uraditi na sljedeći način. Pretpostavimo da odmah nakon sudara čestica postoji raspodjela n kvanti energije pobude između f jednonukleonski stepen slobode. Ukupan broj mogućih distribucija je

. (11.9)

Izvođenje formule (11.9) može se ilustrovati sljedećim vizuelnim dijagramom: – distribucija n kvanta-prelazi fćelije odvojene jedna od druge f minus jedan red. Ukupan broj permutacija (tj. ukupan broj stanja sistema) svih krstova i svih crtica jednak je ( n+ f – 1)! Međutim, permutacije samo križića i samo crtica, čiji su brojevi jednaki n! i ( f – 1)! shodno tome, ne dovode do novih stanja. Kao rezultat, ispostavlja se da je pravi broj država n!(f – 1)! puta manje.

Pretpostavimo dalje, radi jednostavnosti rasuđivanja, da se reakcija emisije nukleona odvija pod uticajem niskoenergetskih čestica, tako da E* ≈ W a. Zatim da bi se reakcija odvijala potrebno je sve koncentrirati n kvanti na jednom stepenu slobode Broj stanja u ovom slučaju je jednostavno jednak f. Stav w = f/g i odrediće vjerovatnoću da nukleon pobjegne iz složenog jezgra, tj. reakcije.

Energija veze nukleona sa jezgrom je u prosjeku oko 8 MeV. Veličina ekscitacionog kvanta je oko 0,5 MeV. Onda n= 8 MeV/0,5 MeV = 16. S obzirom da je kao rezultat reakcije odvajanje nukleona najvjerovatnije samo od vanjske ljuske, možemo staviti f ≈ n. Zamijenivši ovo u (11.9), nalazimo da

Za n= 16 imamo w= 5∙10 –8. Promjene u stanju jezgra se javljaju sa frekvencijom od 1/ τ otrov, dakle konstanta raspada složenog jezgra λ C* = w /τ otrov, i prosječni vijek trajanja τ S* = 1/λ C*– oko 10–14 s. Tako stvarno τ S*>> τ otrov.

Može se primijetiti da se složeno jezgro ne razlikuje fundamentalno od radioaktivno jezgro. Takođe ima tendenciju da gubi energiju usled bilo kog procesa koji je moguć pod datim uslovima. Jedan od ovih procesa (apstrakcija nukleona) je već razmotren. Za složeno jezgro, nekoliko kanala raspada može postojati istovremeno. Osim toga, prijelaz u osnovno stanje može se dogoditi kao rezultat emisije γ-kvanta (ova reakcija se naziva hvatanje radijacije). Emisija γ kvanta od strane jezgra nastaje pod uticajem elektromagnetnih sila, tj. na nuklearnoj vremenskoj skali je također prilično spor (nakon 10 –11 –10 –7 s – vidjeti odjeljak 9.3). Dakle, reakcije radijacijskog hvatanja se također dešavaju kroz jezgro spoja.

Presjek za reakciju koja teče kroz složeno jezgro može se napisati u obliku

, (11.11)

Gdje w b– vjerovatnoća raspada složenog jezgra preko kanala b, i

Ovisnost poprečnog presjeka nuklearne reakcije o kinetičkoj energiji upadnih čestica naziva se funkcija pobude.


Povezane informacije.


Nuklearna reakcija je proces preuređivanja jezgra, praćen stvaranjem novih čestica, koje nastaju pod utjecajem ili kao rezultat interakcije dvaju jezgara ili jezgra i čestice kada se približe udaljenostima na kojima djeluje djelovanje nuklearne sile počinju da se manifestuju.

U laboratorijskim uvjetima nuklearne reakcije se izvode uglavnom bombardiranjem jezgri snopovima brzih čestica. Kao rezultat sudara, pojavljuju se nove čestice, energija i zamah čestica se redistribuiraju.

Reakcija se bilježi ili u obliku sličnom bilježenju kemijskih reakcija:

Ili, što je češće u nuklearnoj fizici, npr

gdje je a čestica zraka, A je ciljno jezgro, emitirana čestica, B je jezgro proizvoda (ili konačno jezgro).

Potpuni zapis nuklearne reakcije sadrži simbole elemenata, broja naboja i masenih brojeva. Na primjer, prva reakcija koju je izveo Rutherford 1919. može se zapisati kao

Ako mi pričamo o tome o opšti tip reakcije, bez obzira na konkretnu vrstu mete, tada se snimanje vrši u sljedećem obliku:

Prvo slovo u zagradi označava tip čestice upada, a slovo (ili slova) nakon decimalnog zareza označavaju koje čestice nastaju kao rezultat reakcije osim jezgra trzanja.

Sudar bombardirajuće čestice sa ciljnim jezgrom može izazvati različite efekte:

1. Elastično rasipanje je interakcija u kojoj čestica i jezgro zadržavaju svoju individualnost i dolazi samo do preraspodjele njihove kinetičke energije. Kretanje čestica nakon interakcije je u skladu sa zakonima elastični udar. Sastav i unutrašnja energija jezgra, kao i tip čestice, se ne mijenjaju:

2. Neelastično rasipanje. U ovom slučaju se emituje čestica istog tipa kao i upadna, ali se konačno jezgro formira u pobuđenom stanju, što je označeno zvjezdicom. Sastav jezgre se također ne mijenja:

3. Sama nuklearna reakcija je interakcija u kojoj se mijenjaju unutrašnja svojstva i sastav ciljnog jezgra i oslobađa se nova čestica:

Svaka od ovih vrsta jednadžbi određuje, kako kažu, svoj kanal reakcije.

Poprečni presjeci i prinosi nuklearnih reakcija.

Kada proučavaju nuklearnu reakciju, nastoje odrediti: vjerojatnost njenog nastanka kroz različite kanale pri različitim energijama upadnih čestica - takozvani "prinos" ove reakcije, kutnu i energetsku distribuciju produkta reakcije.

Kao što je već spomenuto, efektivni presjek reakcije izražava vjerovatnoću da se data transformacija dogodi kada se jezgro bombardira protokom gustine od 1 čestice u sekundi ako meta sadrži jezgra i tok I čestica padne na nju u jednoj sekundi , tada se nuklearne transformacije dešavaju za 1 sekundu. Ukupni efektivni presjek je zbir poprečnih presjeka procesa u svim kanalima

Važna karakteristika reakcija je ovisnost efektivnog poprečnog presjeka od energije upadne čestice:

Ove ovisnosti se nazivaju funkcijama pobuđivanja nuklearne reakcije.

Prinos reakcije pri datoj energiji upadnih čestica, tj. omjer broja reakcionih događaja koji su se dogodili i broja čestica koje padaju na metu, pod uvjetom da isti tok bombardirajućih čestica pada na sva ciljna jezgra. Prinos se može izračunati znajući efektivni poprečni presjek procesa gdje je broj ciljnih atoma u koloni čiji je poprečni presjek i visina jednaka debljini mete

Ako je gustina ciljne supstance, onda

Za debelu metu, u kojoj postoji i promjena energije i smanjenje protoka čestica, izraz za prinos nuklearnih reakcija ima složeniji oblik.

POVEZANI ČLANCI