Ядерные реакции.

Тема 18. Ядерные реакции.

Вопросы:

1. Ядерные реакции.

2. Использование ядерных превращений. Фундаментальные взаимодействия

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с эле­ментарными частицами (в том числе и с -квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядер­ной реакции является реакция, записы­ваемая символически следующим об­разом:

X+a Y +b, или X(a,b)Y,

где Х и Y — исходное и конечное ядра, а и Ь— бомбардирующая и испускае­мая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

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. При про­текании ядерной реакции энергия либо выделяется - экзотермическая реакция, либо поглощается - эндотермическая ре­акция.

Важную роль в объяснении механиз­ма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936) о том, что ядерные реакции протекают в две ста­дии по следующей схеме:

X + а С Y+ b. (8)

Первая стадия — это захват ядром Х ча­стицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (пример­но 2-10^{-15 м),} и образование промежу­точного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в ре­зультате чего оно оказывается в воз­бужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нукло­нов (или их комбинация, например дей­трон (ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, содержащее один протон и одиннейтрон) или -частица, можетполучить энергию, достаточную для его вылета из ядра. В результате возможна вто­рая стадия ядерной реакции — распад сос­тавного ядра на ядро Y и частицу b.

В ядерной физике вводится характер­ное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра (d 10 ^-15 м). Так, для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует ее скорости v 10⁷ м/с) характерное ядерное время = 10^-15 м/10⁷ м/с = 10^-22 с. С другой стороны, доказано, что время жизни составного ядра равно 10 ^-16—10^-12 с, т. е. составляет (10⁶ - 10'°) . Это же оз­начает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столк­новений нуклонов между собой, т. е. пе­рераспределение энергии между нукло­нами действительно возможно. Следова­тельно, составное ядро живет настоль­ко долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэто­му характер распада составного ядра (испускание им частицы b) — вторая ста­дия ядерной реакции - не зависит от способа образования составного ядра — первой стадии.

Если испущенная частица тождествен­на с захваченной (b = а), то схема (1) описывает рассеяние частицы: упругое -при E = E , неупругое - при E = E. Если же испущенная частица не тож­дественна с захваченной (b = а), то имеем дело с ядерной реакцией в прямом смысле слова. Реакции, протекающие без образования составного ядра, называются прямыми ядерными взаимодействиями (например, реакции, вызываемые быстры­ми нуклонами и дейтронами).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них ча­стиц — реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных ча­стиц (например, протонов, дейтронов, -частиц); реакции под действием -квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящие в основ­ном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт, происходящие с уча­стием -квантов и заряженных частиц (протоны, -частицы); реакции при высо­ких энергиях (сотни и тысячи мегаэлек­трон-вольт), приводящие к рождению от­сутствующих в свободном состоянии эле­ментарных частиц и имеющие большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер — реакции на легких ядрах (А < 50); ре­акции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) по характеру происходящих ядерных превращений — реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заря­женных частиц; реакции захвата (в слу­чае этих реакций составное ядро не ис­пускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько -квантов).

Первая в истории ядерная реакция осу­ществлена Э. Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота α-частицами, испускаемыми радиоактивным источни­ком:

К началу сороковых годов работами многих ученых — Э. Ферми (Италия), О. Гана (1879-1968), Ф. Штрассмана (1902-1980) (ФРГ), О. Фриша (1904-1979) (Великобритания), Л. Мейтнер (1878-1968) (Австрия), Г. Н. Флерова (р. 1913), К. Н. Петржака (СССР)-было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из сере­дины периодической системы — лантан и барий. Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового типа — реакциям деления ядра, заключаю­щимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождает­ся испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деле­ния. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу про­тонов (N/Z≈1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов(N/Z≈1,6), то образо­вавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако ис­пускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков ней­тронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд ( -превра­щений, сопровождаемых испусканием -квантов. Так как -распад сопровождает­ся превращением нейтрона в протон, то после цепочки -превраще­ний соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу.

Например, при делении ядра урана U

(8)

осколок деления в результате трех актов β^--распада превращаетсявстабиль­ный изотоп лантана :

Осколки деления могут быть разно­образными, поэтому реакция (8) не единственная, приводящая к делению U. Возможна, например, реакция

Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t ≤ 10^-14с), а часть (около 0,75 % ) испус­кается осколками деления спустя некото­рое время после деления (0,05 с < t < 60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые — запаздывающими. В сред­нем на каждый акт деления приходит­ся 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ.

Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделе­нием большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобож­даться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтвер­ждают, что при каждом акте деления действительно выделяется огромная энер­гия, которая распределяется между оскол­ками (основная доля), нейтронами деле­ния, а также между продуктами по­следующего распада осколков деления.

Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Например, если вы-сокоэнергетичные нейтроны вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт — только тяжелых ядер (А > 210). Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энер­гией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана , тория , протактиния и плу­тония . Тепловыми нейтронами де­лятся ядра , и , (два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусствен­ным путем). Например, изотоп по­лучается в результате радиационного за­хвата (реакции (n, γ ) нейтронов ядром :

(9)

Испускаемые при делении ядер вторич­ные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуще­ствление цепной реакции деления - ядер­ной реакции, в которой частицы, вызы­вающие реакцию, образуются как продук­ты этой реакции. Цепная реакция деле­ния характеризуется коэффициентом раз­множения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем

поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления являет­ся требование k ≥ 1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последую­щее деление ядер, что приводит к умень­шению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров актив­ной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникаю­щей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами не­делящихся примесей, всегда присутствую­щих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются 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, например, является неуправляе­мой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней (или ) делится на две уда­ленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества стано­вится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождаю­щаяся мгновенным выделением огром­ного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начи­нается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядер­ных реакторах.

Колоссальным источником энергии мо­жет служить реакция синтеза атомных ядер - образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития ) к литию и особенно к гелию Не, т. е. реак­ции синтеза легких ядер в более тяже­лые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что дей­ствительно подтверждается расчетами. В качестве примеров рассмотрим реакции синтеза:

₁H² + ₁H² ® ₁H³ + ₁p¹ ( Q = 4 Мэв)

₁H² + ₁H² ® ₂He³ + ₀n¹ ( Q = 3.3 Мэв)

₁H² + ₁H³ ® ₂He⁴ + ₀n¹ (Q = 17.6 Мэв) (6)

₃Li⁶ + ₁H² ® ₂He⁴ + ₂He⁴ (Q = 22.4 Мэв)

где Q — энерговыделение.

Реакции синтеза атомных ядер обла­дают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра U выделяется энергии примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (6) эта величина равна 17,6/5 МэВ 3.5 МэВ.

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядер­ными реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный или водород­ный цикл, характерный для температур примерно 10⁷ К:

Для протекания таких реакций должны быть созданы большие температуры (порядка 10⁷ К)

₁p¹ + ₁p¹ ® ₁H² + ₊₁e⁰ + ₀n_e⁰

₁H² + ₁p¹ ® ₂He³ + g

₂He³ + ₂He³ ® ₂He⁴ + 2₁p¹

2) углеродно-азотный (углеродный) цикл, характерный для более высоких температур (2^.10⁷ К )

₆C¹² + ₁p¹ ® ₇N¹³ + g

₇N¹³ ® ₆C¹³ + 4₊₁e⁰ + ₀n_e⁰

₆C¹³ + ₁p¹ ® ₇N ¹⁴ + g

₇N¹⁴ + ₁p¹ ® ₈O¹⁵ + g

₈O¹⁵ ® ₇N¹⁵ + 4₊₁e⁰ + ₀n_e⁰

₇N¹⁵ + ₁p¹ ® ₆C¹² + ₂He⁴

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизмен­ным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «горючего», чем любые другие превра­щения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эк­вивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчива перспектива осущест­вления термоядерных реакций искусствен­ным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взры­ва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обыч­ная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.