Лекция № 11 Ядерные реакции и их основные типы
1. Ядерные реакции.
2. Реакции деления ядра.
3. Реакция синтеза атомных ядер.
1. Ядерные реакции
Ядерные реакции – это взаимодействие атомных ядер элементов между собой с элементарными частицами, в результате которого возникает новое ядро элемента и элементарная частица. Записывается символически ядерная реакция:
,
где X и Y исходное и конечное ядра; a и b – бомбардирующая и испускаемая в ядерной реакции частицы.
В ядерной физике уровень взаимодействия при реакциях характеризуется эффективным сечением взаимодействия , которое определяется:
,
где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объема n – ядер; dN – число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx.
Эффективное сечение
имеет размерность площади и характеризует
вероятность того, что при падении пучка
частиц на вещество произойдет реакция.
Единица измерения эффективного сечения
1 барн =
.
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Ядерные реакции могут быть, как экзотермическими (выделение энергии) так и эндотермическими (с затратой энергии на реакцию).
Они протекают в две стадии по следующей схеме:
.
Первая стадия –
захват ядром X
частицы а, приблизившейся к нему на
расстоянии действия ядерных сил
.
Образование промежуточного ядра с
называется составным
(или компаунд - ядром). Энергия влетевшей
в ядро частицы быстро распределяется
между нуклонами составного ядра, которое
приходит в возбужденное состояние. При
их столкновении возможен вылет нуклона
из ядра. В результате возможна вторая
стадия реакции – распад составного
ядра на ядро I
и частицу b.
В ядерной физике
вводится понятие “характерное ядерное
время” – время, необходимое для пролета
частицей расстояния порядка диаметра
ядра
.
Так для частицы с энергией 1мэВ характерное
ядерное время
,
а время жизни составного ядра
.
Следовательно, составное ядро живет
настолько долго, что “забывает”, каким
образом оно образовалось. Поэтому
характер распада составного ядра
(испускание b
- частицы) – вторая стадия ядерной
реакции – не зависит от способа
образования, т.е. первой стадии.
Некоторые ядерные реакции протекают без образования составного ядра. Они называются прямыми ядерными взаимодействиями (чаще всего вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).
Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:
1) по роду участвующих в них частиц – реакция под действием нейтронов, заряженных частиц, под действием - квантов;
2) по энергии вызывающих их частиц – при малых энергиях порядка эВ происходит с участием нейтронов; при средних энергиях равно несколько эВ, с участием -квантов и при высоких энергиях равно сотни и тысячи мэВ;
3) по роду участвующих в них ядер – реакция на легких ядрах (А<50), на средних (50<A<100), реакция на тяжелых ядрах (А>100);
4) по характеру происходящих ядерных превращений – реакция с испусканием нейтронов, с испусканием заряженных частиц; реакция захвата.
Первая ядерная реакция 1919 г. поведена Резерфордом:
.