ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Определения. Ядерной реакцией называется процесс образования новых ядер и частиц при столкновениях частиц и ядер. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то процесс называется рассеянием.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя альфа-частицами ядра атомов азота. Ядерная реакция была зафиксирована по появлению вторичных частиц, имеющих пробег в газе больше пробега альфа-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии процесса. Эта реакция может быть представлена выражением

α+¹⁴N ¹⁷O+p (3.25)

Существует сокращенная запись этой ядерной реакции:

¹⁴N( )¹⁷O

Если речь идет о типе реакции, то практикуется запись типа (np).

Механизм составного ядра. Ядерные реакции при не очень больших энергиях сталкивающихся частиц, по крайней мере до 10 МэВ, протекают через двухстадийный механизм составного ядра. Первая стадия состоит в поглощении ядром-мишенью бомбардирующей частицы и образовании промежуточного или составного ядра. Составное ядро всегда сильно возбуждено, поскольку поглощенная частица вносит в образовавшееся ядро как свою кинетическую энергию, так и энергию связи поглощенных нуклонов. Последняя составляющая энергии возбуждения равна разности энергий связи новых нуклонов в составном ядре и в исходной частице,если эта частица сложная, например, альфа-частица.

Вторая стадия реакции состоит в распаде составного ядра с испусканием той или иной частицы. Такой частицей всегда может быть исходная, при этом образуется исходное ядро и вместо ядерной реакции наблюдается рассеяние. Рассеяние с образованием составного ядра называется резонансным рассеянием в отличие от потенциального рассеяния без образования составного ядра. Возможные пути распада составного ядра называются каналами ядерной реакции.

В свете изложенного реакция (3.25) может быть записана:

α+¹⁴N ¹⁸F^{* 17}O+p, (3.26)

где (*) означает, что промежуточное ядро имеет избыток энергии и находится в возбужденном состоянии.

Энергия возбуждения. Энергия возбуждения Е* составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии Е_св нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии Е’:

Е*=Е_св+Е’ (3.27)

Обычно вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона эта часть энегии нуклона Е’ примерно равна полной кинетической энергии бомбардирующего нуклона Е и соотношение (3.27) с достаточной точностью может быть записано:

Е*=Е_св+Е (3.28)

Энергия связи в среднем равна 8 МэВ, несколько меняясь для разных составных ядер. Кинетическая энергия нуклона может быть какой угодно. При возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение Е может быть сколь угодно малым. Таким образом Е_св есть минимальная энергия возбуждения составного ядра. Если ядерная реакция возбуждается заряженной частицей, то вклад кинетической энергии в энергию возбуждения велик, так как только с достаточно большой кинетической энергией заряженные частицы могут преодолеть кулоновский барьер ядра-мишени и образовать составное ядро.

Энергия связи частицы в ядре есть энергия, необходимая для ее отделения от ядра. Поскольку Е*>Е_св, то всегда возможен обратный вылет той частицы, при захвате которой образовалось составное ядро. Таким образом, резонансное рассеяние может всегда сопровождать ядерные реакции. Однако, оно оказывается несущественным, если составное ядро с подавляющей вероятностью распадается по другим каналам, ведущим к каким-то ядерным реакциям.

Ограничения по энергии и спину. Составное ядро, как и любое другое имеет систему нуклонных уровней и переход его в возбужденное состояние происходит только в том случае, ести поглощаемая при взаимодействии энергия равна какой-либо энегии возбуждения ядра с точностью, определяемой шириной энергетического уровня возбуждения. Таким образом, только при избранных значениях кинетической энергии бомбардирующей частицы возможно образование составного ядра. При всех прочих ее значениях составное ядро не образуется и при столкновениях частицы с ядром-мишенью происходит рассеяние, которое называется потенциальным.

Второе ограничение связано со спином. Каждый возбужденный уровень характеризуется своим спином. Если спин возбужденного состояния составного ядра не равен ни одному из возможных значений суммарного спина сталкивающихся частиц, то образование составного ядра невозможно и наблюдается процесс потенциального рассеяния.

Именно поэтому в завимости сечения взаимодействия от энергии бомбардирующих частиц есть резонансы.

Время взаимодействия через механизм составного ядра (до 10^-14 с) много больше характерных времен ядерного взаимодействия (10^-23 с).

Прямое взаимодействие. Течение ядерных реакций через механизм прямого взаимодействия также возможно. Однако такой механизм проявляется главным оразом при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямое взаимодействие отличается прежде всего распределением векторов импульсов частиц продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полета продуктов реакции вперед относительно напраления движения первичных частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в прямом взаимодействии различно. При столкновении сложных ядер возможны процессы передачи нуклонов от одного ядра другому или обмен нуклонами. Эти реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия.

Закон сохранения энергии. При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Однако в ядерной физике в связи с изменением структуры частиц и их кинетических энергий необходимо говорить о сохранении полной энергии частиц до и после реакции. Полная энергия частицы есть сумма ее энергии покоя Мс² и кинетической энергии Е. Поэтому закон сохранения энергии запишется для двух частиц в виде:

М₁с² + М₂с² +Е₁ + Е₂ = М₃с² + М₄с² + Е₃ + Е₄. (3.29)

Величина

Q = (E₃ + E₄) – (E₁ + E₂) (3.30)

Называется энергией реакции. Поскольку обычно ядро-мишень покоится, то Е₂ = 0 и энергия реакции равна

Q = (E₃ + E₄) – E₁ (3.31)

В массовых единицах закон сохранения может быть записан:

М₁ + М₂ = М₃ + М₄ +Q/с² (3.32)

Если Q>0, то реакция идет с выделением свободной энергии и она называется экзотермической; если Q<0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и она называется эндоэнергетической. Легко увидеть, что Q>0 тогда, когда сумма масс частиц продуктов меньше суммы масс исходных частиц, т.е. выделение свободной энергии возможно только за счет снижения масс реагирующих частиц. Напротив, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна лишь при условии затраты какого-то количества кинетической энергии бомбардирующей частицы, и для возбуждения эндоэнергетической реакции энергия налетающей частицы Е₁ должна быть больше энергии реакции Q. Минимальное значение Е₁, при котором возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговым.

Закон сохранения импульса. Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если частица-мишень находится в покое, можно записать:

(3.33)

Закон сохранения механического момента. При ядерных реакциях сохраняется момент количества движения. В результате столкновения частиц образуются только такие составные ядра, механический момент которых равен одному из возможных значений механического момента, получающегося при сложении собственных механических моментов частиц и механического момента их относительного движения. Пути распада составного ядра также могут быть только такими, чтобы сохранялся момент количества движения. Никаких исключений из этих правил на опыте не обнаружено.

Другие законы сохранения. При ядерных реакциях сохраняется электрический заряд: алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.

При ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самом общем случае интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки бариооных чисел, то при таких процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остается постоянной.

При ядерных реакциях, которые протекают под действием ядерных сил или электромагнитных сил, сохраняется четность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Четность не сохраняется в превращениях под действием слабых сил.

Все законы сохранения накладывают ограничения на возможность осуществления ядерных реакций. Энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения.