Определение 1
Ядерной реакцией в широком смысле называют процесс, который происходит в результате взаимодействия нескольких сложных атомных ядер или элементарных частиц. Так же ядерными реакциями называют такие реакции, в которых среди исходных частиц присутствует хотя бы одно ядро, оно стыкается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и создаются новые частицы.
Как правило, ядерные реакции происходят под действиями ядерных сил. Однако ядерная реакция распада ядра под действием $\gamma $ -- квантов высоких энергий или быстрых электронов происходит под действием электромагнитных, а не ядерных сил, по той причине, что ядерные силы на фотоны и электроны не действуют. К ядерным реакциям относят процессы, которые происходят при столкновении нейтрино с другими частицами, но они протекают при слабом взаимодействии.
Ядерные реакции могут проходить в природных условиях (в недрах звезд, в космических лучах). Изучение ядерных реакций проходит в лабораториях на экспериментальных установках, в которых энергия заряженным частицам передается с помощью ускорителей. В этом случае более тяжелые частицы находятся в состоянии покоя и их называют частицами-мишенями . На них налетают более легкие частицы, которые входят в состав ускоренного пучка. В ускорителях на встречных пучках в деление на мишени и пучки нет смысла.
Энергия положительно заряженной частицы пучка должна быть порядка или больше кулоновского потенциального барьера ядра. В $1932$ году Дж. Кокрофт и Э. Уолтон впервые осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки протонами, энергия которых была меньшей высоты кулоновского барьера. Проникновение протона в ядро лития произошло путем туннельного перехода через кулоновский потенциальный барьер. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновского потенциального барьера не существует и ядерные реакции могут происходить даже при тепловых энергиях частиц которые налетают.
Самой распространённой и наглядной записью ядерных реакций взято из химии. Слева записывают сумму частиц до реакции, а справа сумму конечных продуктов реакции:
описывает ядерную реакцию, которая происходит в результате бомбардировки изотопа лития ${}^7_3{Li}$ протонами, в результате чего возникает нейтрон и изотоп бериллия ${}^7_4{Be}$.
Ядерные реакции часто записываются в символической форме: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, где $A$ -- ядро мишени, $a$ -- бомбардирующая частица, $bcd\dots и\ B$ -- соответственно частицы и ядро, которые образуются в результате реакции. Реакцию выше можно переписать у виде ${}^7_3{Li}(p,n){}^7_4{Be}$. Иногда используется запись иду $(p,n)$, что значит выбивание нейтрона с некоторого ядра под действием протона.
Количественное описание ядерных реакций с точки зрения квантовой-механики возможно только статистическим способом, т.е. можно говорить о некоторой вероятности различных процессов, которые характеризуют ядерную реакцию. Таким образом, реакция $a+A\to b+B$, в начальном и конечном состоянии которой есть по две частицы, в этом понимании полностью характеризуется дифференциальным эффективным сечением рассеивания $d\sigma /d\Omega $ внутри телесного кута $d\Omega {\rm =}{\sin \theta \ }\theta d\varphi $, где $\theta $ и $\varphi $ -- полярный и азимутальный углы вылета одной с частиц, при этом угол $\theta $ исчисляется от начала движения бомбардирующей частицы. Зависимость дифференциального сечения от углов $\theta $и $\varphi $ называется угловым распределениям частиц, которые образуют реакцию. Полным или интегральным сечением, которым характеризуется интенсивность реакции, называется дифференциальное эффективное сечение, проинтегрированное по всем значением углов $\theta $ и $\varphi $:
Эффективное сечение можно интерпретировать как площадку, попадая в пределы которой налетающая частица вызовет данную ядерную реакцию. Эффективное сечение ядерной реакции измеряется в барнах $1\ б={10}^{-28}\ м^2$.
Ядерные реакции характеризуются выходом реакции. Выходом ядерной реакции $W$ называется доля частиц пучка, которые получили ядерное взаимодействие с частицами мишени. Если $S$ -- площадь сечения пучка., $I$ -- плотность потока пучка, то на такую же площадь мишени каждую секунду попадает $N=IS$ частиц. С них в одну секунду в среднем реагирует $\triangle N=IS\sigma n$ частиц, где $\sigma $ -- эффективное сечение реакции частиц пучка, $n$ -- концентрация ядер у мишени. Тогда:
Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:
За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:
В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:
Рисунок 1.
В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:
За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:
За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:
При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:
Замечание 1
Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.
Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q
Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ -квантами) или друг с другом. Символически реакции записываются в виде:
X + a→Y + b , или X(a,b) Y
где X и Y - исходное и конечное ядра, a и b - бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии) так и эндотермическими (с поглощением энергии).
Ядерные реакции классифицируются:
1) по роду участвующих в них частиц - реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; γ -квантов;
2) по энергии вызывающих их частиц - реакции при малых, средних и высоких энергиях;
3) по роду участвующих в них ядер - реакции на легких (A < 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) ядрах;
4) по характеру происходящих ядерных превращений - реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ -квантов).
Первая в истории ядерная реакция была осуществлена Резерфордом
1939 год - О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление ядер урана: при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) – осколки деления и др. Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением энергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон.
Например, возможны два варианта протекания реакции деления ядер урана.
Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления. При этом идет лавинообразное нарастание числа актов деления - начинается цепная реакция деления - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.
Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.
Необходимое условие развития цепной реакции: k >1. Такая реакция называются развивающаяся реакция. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция. При k <1 идет затухающая реакция.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также размеров и формы активной зоны - пространства, где происходит цепная реакция.
Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называется критическими размерами.
Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы - пример неуправляемой реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.
Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Ядерные реакторы используются, например, в атомных электростанциях.
Рассмотрим схему реактора на медленных нейтронах. Ядерным горючим в таких реакторах могут быть:
1) - в естественном уране его содержится примерно 0,7%;
2) , получается из по схеме
3) получается из тория по схеме
В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы из ядерного горючего (твэлы) 1 и замедлитель 2 (в нем нейтроны замедляются до тепловых скоростей). Твэлы представляют собой блоки из делящегося материала, заключенные в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счет энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются, а поэтому для охлаждения они помещаются в поток теплоносителя 3. Активная зона окружена отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов. Поддержание стационарного режима реактора производится с помощью управляющих стержней 5 из материалов, сильно поглощающих нейтроны, например
из бора или кадмия. Теплоносителем в реакторе служит вода, жидкий натрий и др. Теплоноситель в парогенераторе отдает свое тепло пару, который поступает в паровую турбину. Турбина вращает электрический генератор, ток от которого поступает в электрическую сеть.
Существуют различные толкования термина ядерные реакции. В широком смысле ядерной реакцией называется любой процесс, начинающийся столкновением двух, редко нескольких, частиц (простых или сложных) и идущий, как правило, с участием сильных взаимодействий. Этому определению удовлетворяют и ядерные реакции в узком смысле этого слова, под которыми понимаются процессы, начинающиеся столкновением простой или сложной частицы (нуклон, а-частица, у-квант) с ядром. Отметим, что определению реакции удовлетворяет, как частный случай, и рассеяние частиц.1 Два примера ядерных реакций приведены ниже.
Исторически первая ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г. - открытие протона):
Открытие нейтрона (Чедвик, 1932 г.):
Изучение ядерных реакций необходимо для получения информации о свойствах новых ядер и элементарных частиц, возбужденных состояний ядер и т.д. Не следует забывать, что в микромире из-за наличия квантовых закономерностей на частицу или ядро нельзя «посмотреть». Поэтому основным методом изучения микрообъектов является изучение их столкновений, т. е. ядерных реакций. В прикладном отношении ядерные реакции нужны для использования ядерной энергии, а также для получения искусственных радионуклидов.
Ядерные реакции могут происходить в естественных условиях (например, в недрах звезд или в космических лучах). Но их изучение обычно проводят в лабораторных условиях, на экспериментальных установках. Для осуществления ядерных реакций необходимо сблизить частицы или ядра с ядрами до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Сближению заряженных частиц с ядрами препятствует кулоновский барьер. Поэтому для осуществления ядерных реакций на заряженных частицах используют ускорители , в которых частицы, разгоняясь в электрическом поле, приобретают энергию, необходимую для преодоления барьера. Иногда эта энергия сравнима с энергией покоя частицы или даже превышает ее: в этом случае движение описывается законами релятивистской механики. В обычных ускорителях (линейный ускоритель , циклотрон и т.п.) более тяжелая из двух сталкивающихся частиц, как правило, покоится, а более легкая па нес налетает. Покоящаяся частица называется мишенью {англ. - target). Налегающие, или бомбардирующие , частицы в русском языке специального названия не получили (в английском языке употребляется термин projectile - снаряд). В ускорителях на встречных пучках {коллайдерах) обе сталкивающиеся частицы движутся, так что разделение на мишень и пучок налетающих частиц теряет смысл.
Энергия заряженной частицы в реакции может быть и меньше высоты кулоновского барьера, как это было в классических опытах Дж. Коккрофта и Э. Уолтона, которые в 1932 г. осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки их ускоренными прогонами. В их опытах проникновение протона в ядро мишени происходило путем туннелирования через кулоновский потенциальный барьер (см. Лекцию 7). Вероятность такого процесса, разумеется, очень мала из-за малой прозрачности барьера.
Для символической записи ядерных реакций существует несколько способов, два из которых приведены ниже:
Совокупность сталкивающихся частиц в определенном квантовом состоянии (например, р и Li) называют входным каналом ядерной реакции. При столкновениях одних и тех же частиц (фиксированный входной канал) в общем случае могут появляться различные продукты реакции. Так, при столкновениях протонов с Li возможны реакции Li(р, 2а), Li(р, п) Be, 7 Li(/;, df Be и др. В этом случае говорят о конкурирующих процессах, или о множестве выходных каналов.
Часто ядерные реакции записывают в еще более короткой форме: (а, Ь) - т.е. указывая только легкие частицы и не указывая ядра, участвующие в реакции. Например, запись (/>, п) означает выбивание протоном нейтрона из какого- либо ядра, (п , у) - поглощение нейтрона ядром с испусканием у-кванта, и т.п.
Классификация ядерных реакций может быть проведена по следующим признакам:
I. По типу протекающего процесса
//. По признаку выделения или поглощения энергии
III. По энергии бомбардирующих частиц
IV. По массе бомбардируемых ядер
V По виду бомбардирующих частиц
20.5.7. При резонансном захвате нейтрона изотопом урана 292U образуется радиоактивный изотоп урана 239U . Он испытывает Р-распад и превращается в изотоп трансуранового элемента нептуния 2^Np . Нептуний является Р-радиоактивным и превра-
щается в плутоний 94Pu , который играет важнейшую роль в получении ядерной энергии. Запишите описанные ядерные реакции.
20.5.8. Большинство ядерных реакций могут идти несколькими способами, получившими название «каналы реакции». Например, при облучении изотопа лития 7Ll протонами могут регистри-
398
роваться: а) два одинаковых ядра; б) ядро изотопа бериллия Be и нейтрон. Напишите реакции указанных «каналов реакции».
20.5.9. Напишите недостающие обозначения в следующих реакциях:
ч 27.. ,1 А„ , 4ТТ... 56-- , А„ 56„ , 1
а) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; б) 25МП + z X ^ 26Fe + 0 n ;
А 1 22 4 27 26 А
в) ZX +iH ^ nNa + 2He; г) 13Al + Y ^ 12Mg + zx*
20.5.10. Элемент резерфордий получили, облучая плутоний
94Pu ядрами неона 10Ne . Напишите реакцию, если известно, что кроме него образуются еще четыре нейтрона.
20.6. Энергия ядерной реакции
20.6.1. Определите энергию ядерной реакции 3Li + 1H ^ ^24He.
20.6.2. Определите тепловые эффекты следующих реакций:
а) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n ; б) 4Be + 0n ^ 4Be + y;
7 4 10 1 16 2 14 4
в) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n ; г) 8O + 1 d ^ 7N + 2а.
20.6.3. Какую минимальную энергию должна иметь a-частица
для осуществления ядерной реакции 3Li + 2He ° 5B + 0n ?
20.6.4. Найдите энергию Y-кванта, излученного при ядерной
23 реакции 1H + n ^ 1H + Y.
20.6.5. При взрыве водородной бомбы протекает термоядерная реакция образования атомов гелия 4He из дейтерия 1н и трития 1н.
Напишите ядерную реакцию и определите ее энергетический выход.
20.6.6. Определите энергию ядерной реакции 4Be +1H ^
^ 14Be + ^ H . Какая энергия выделится при полной реакции бериллия массой m = 1 г?
20.6.7. Термоядерная реакция 1h + 2He ^ 4He + ^p идет с выделением энергии E1 = 18,4 МэВ. Какая энергия выделится в
реакции 3He + 2He ^ !He + 2^ , если дефект массы ядра 2He на
Am = 0,006 а.е.м. больше, чем у ядра 1H ?
399
20.6.8. Используя определение энергии связи, покажите, что энергию, необходимую для разделения ядра C на ядра A и B, можно представить в виде: Eab = Ec - (Ea + Eb), где Ea, Eb, Ec - энергии связи соответствующих ядер. Определите энергию, необходимую для разделения ядра кислорода 16O на а-частицу и ядро углерода 12С. Энергии связи: E16^ = 127,62 МэВ, Ea = 28,30 МэВ,E12^ =
92,16 МэВ.
20.6.9. При реакции 3Li + 1H ^ 3Li + 1р выделяется энергия Q = 5,028 МэВ. Энергия связи ядра лития E1 = 39,2 МэВ, дейтерия E2 = 1,72 МэВ. Определите массу ядра лития.
20.6.10. При делении ядер с удельной энергией связи є = = 8,5 МэВ/нукл образуются два осколка - один с массовым числом Ai = 140 и удельной энергией связи Єї = 8,3 МэВ/нукл, другой - с массовым числом A2 = 94 и удельной энергией связи є2 = = 8,6 МэВ. Оцените количество теплоты, которое выделится при делении массы m = 1 г исходных ядер. Считать тр = mn =
1,6724 10-27 кг.
20.6.11. Считая, что в одном акте деления ядра урана 235U освобождается энергия Ео = 200 МэВ, определите энергию, выделяющуюся при сгорании m = 1 кг урана, и массу каменного угля mi, эквивалентную в тепловом отношении 1 кг урана.
20.6.12. При делении ядра урана 235U выделяется энергия Q = 200 МэВ. Какую долю энергии покоя урана составляет выделившаяся энергия?
20.6.13. Определите массовый расход ядерного горючего 235U в ядерном реакторе атомной электростанции. Тепловая мощность электростанции P = 10 МВт; ее КПД п = 20% . Энергия, выделяющаяся при одном акте деления, Q = 200 МэВ.
20.6.14. Найдите мощность атомной станции, расходующей в сутки m = 220 г изотопа урана 235U и имеющей КПД п = 25% . Считать, что в одном акте деления 235U выделяется энергия Q = 200 МэВ.
20.6.15. Для плавления алюминия используется энергия, выделяющаяся при позитронном Р-распаде изотопов углерода 11C , причем каждое ядро углерода испускает один позитрон. Продукты распада не радиоактивны. Сколько потребуется углерода 1I1C для
выполнения плавки M = 100 т алюминия за і = 30 мин, если начальная температура алюминия 0о = 20 °С?
20.6.16. Натрий и Na массой m = 10 г, испытывающий электронный Р-распад, помещают в ампуле в цистерну, содержащую
400
M = 1000 т воды. Продукты распада не радиоактивны. Период по-
лураспада натрия T = ^ суток. На сколько градусов возрастет температура воды за первые сутки от начала распада натрия?
20.6.17. Полоний 84P0 распадается с испусканием а-частицы
и образованием ядер свинца. Продукты распада не радиоактивны. Период полураспада полония T =140 дней. Какую массу льда, взятого при температуре 0 = 0 0C, можно растопить, используя энергию, выделяющуюся при распаде m = 10 г полония за время t = 35 дней?
20.7. Ядерные реакции и законы сохранения
20.7.1. Покоившееся ядро полония 84P0 выбросило а-частицу с кинетической энергией Ek = 5,3 МэВ. Определите кинетическую энергию ядра отдачи и полную энергию, выделившуюся при а-распаде.
