Белорусско-Российский университет

Кафедра "Физика"

О.Е.Коваленко

3.1 Ядерные реакции и законы сохранения

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Символически реакции записываются в виде:

X + aY + 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 протекают в несколько этапов. На первом этапе налетающая частица застревает в ядре-мишени, образуя составное ядро или компаунд-ядро, и ее энергия передается не какому-либо нуклону, а равномерно распределяется между всеми частицами составного ядра, так что ни одна из них не получает энергии, достаточной для вылета из ядра. Составное ядро рассматривается как возбужденная статистическая система частиц, совершающая неупорядоченные движения, подобные движению частиц в капле жидкости. В результате случайных отклонений от равномерного распределения энергии возбуждения между частицами составного ядра на какой-либо одной из них концентрируется энергия, достаточная для вылета этой частицы из ядра. Этот второй этап ядерной реакции происходит по истечении времени (107 ÷ 108)τЯ после первого этапа, где τЯ — характерное ядерное время (~ 10−22 c) .

Схема ядерной реакции с образованием компаунд-ядра:

где — исходное ядро-мишень, а — налетающая частица,  — составное ядро,  — ядро — продукт ядерной реакции, b — частица, вылетевшая из ядра в результате реакции.

Если a  b, то происходит рассеяние частицы ядром: упругое — при Eb = Ea, неупругое — при EbEa . Если же испущенная частица не тождественна с захваченной (b a), то идет ядерная реакция в прямом смысле слова.

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 при бомбардировке ядра азота α -частицами:

Демонстрация различных ядерных превращений.

Модель. Ядерные превращения