Ядерные реакции

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами иликвантами. Такое определение разграничивает собственно ядерные реакции и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.
Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов разл. элементов) либоквантов, к-рыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают ядерные реакции при низких ( < 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А < 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Ядерная реакция может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10^-13 см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод. между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной реакции частицы - и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени. Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера, и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если в ядерной реакции участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).
Обсуждается возможность протекания ядерных реакций не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на пов-сти твердого тела (напр., с участием ядер атомов газа дейтерия, растворенного в палладии); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных реакций ("холодного термоядерного синтеза") нет.

Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его ат. номер (заряд ядра), то при записи ядерных реакций значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще ядерные реакции записывают короче. Так, ядерную реакцию образования радионуклида ¹⁴С при облучении ядер ¹⁴N нейтронами записывают след. образом: ¹⁴N(n, р)¹⁴С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу иликвант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. ядерные реакции.
При столкновении одних и тех же частиц ядерные реакции могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. ядерные реакции: ²⁷А1(n,)²⁸А1, ²⁷А1(n, n)²⁷А1, ²⁷А1(n, 2n)²⁶А1, ²⁷А1(n, p)²⁷Mg, ²⁷Al(n,)²⁴Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом ядерной реакции, а частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, образуют выходной канал.
Ядерные реакции могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать ядерную реакцию как А(a, b)В, то для такой ядерной реакции энергия равна: Q = [(М_А + М_а) - (М_в + М_b)] x с², где М -массы участвующих в ядерной реакции частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (см. Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Q имеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10^-7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается ядерная реакция, может в 10⁶ раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при ядерной реакции становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после ядерной реакции. Возможность выделения огромных кол-в энергии при осуществлении ядерных реакций лежит в основе ядерной энергетики (см. Ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в ядерных реакциях, а также соотношений между углами, под к-рыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных р-ций.

Механизмы ядерных реакций. Характер взаимод. налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных св-в взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление наз. упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер ²⁷А1 ему отвечает ядерная реакция ²⁷А1(п, п)²⁷А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это - т.наз. прямой процесс. Время, за к-рое он протекает, соответствует времени, за к-рое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно ок. 10^-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы.
При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10^-15-10^-16 с. Это время отвечает времени жизни т.наз. составного ядра- ядерной системы, образующейся в ходе ядерной реакции в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или неск. нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t иличастицу.
Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, к-рый должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядро испускаетквант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, к-рое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.

Эффективное сечение ядерных реакций. В отличие от большинства хим. р-ций, при к-рых исходные в-ва, взятые в стехиометрич. кол-вах, реагируют между собой нацело, ядерную реакцию вызывает только небольшая доля из всех бомбардирующих частиц, упавших на мишень. Это объясняется тем, что ядро занимает ничтожно малую часть объема атома, так что вероятность встречи налетающей частицы, проходящей через мишень, с ядром атома очень мала. Кулоновский потенциальный барьер между налетающей частицей и ядром (при их одинаковом заряде) также препятствует ядерной реакции. Для количеств. характеристики вероятности протекания ядерной реакции используют понятие эффективного сечения а. Оно характеризует вероятность перехода двух сталкивающихся частиц в определенное конечное состояние и равно отношению числа таких переходов в единицу времени к числу бомбардирующих частиц, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению их движения. Эффективное сечение имеет размерность площади и по порядку величины сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (ок. 10^-28 м²). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10^-28 м²).
Реальные значения для различных ядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10^-49 до 10^-22 м²). Значение зависит от природы бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от св-в облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать т. наз. резонансный захват нейтронов, к-рый характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетич. энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на неск. порядков превышать нерезонансное сечение.
Если бомбардирующая частица способна вызывать протекание ядерной реакции по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений разл. процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.
Эффективные сечения ядерных реакций для ядер разл. изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления ядерной реакции нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы ядерных реакций, т. е. отношение числа актов ядерных реакций к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см²) мишени, обычно не превышают 10^-6-10^-3. Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной реакции пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см² пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см² мишени, а также значению эффективного сечения ядерной реакции. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных реакций под действием нейтронов не более неск. мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной ядерной реакции, значительно меньше.

Бомбардирующие частицы. Для осуществления ядерных реакций используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t, частицы, тяжелые ионы (¹²С, ²²Ne, ⁴⁰Аr и др.), электроны е икванты. Источниками нейтронов (см. Нейтронные источники)при проведении ядерных реакций служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя, напр. ²²⁶Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев ядерных реакций выше для нейтронов с малыми энергиями (тепловые нейтроны), то перед тем, как направить поток нейтронов на мишень, их обычно замедляют, используя парафин, графит и др. материалы. В случае медленных нейтронов осн. процесс почти для всех ядер - радиационный захват - ядерная реакция типа т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов ичастиц. Под действием нейтронов протекают цепные р-ции деления.
В случае использования в качестве бомбардирующих частиц протонов, дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя разл. ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро. При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных реакций достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия связи протона и нейтрона в дейтроне относительно мала, и соотв., велико расстояние между протоном и нейтроном.
При использовании в качестве бомбардирующих частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон - протон или нейтрон, второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения могут достигаться при проведении ядерных реакций между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому ядерные реакции с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих ядер до т-ры ок. 10⁷ К. Такие ядерные реакции называют термоядерными. В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные р-ции с участием дейтерия, дейтерия и трития, дейтерия и лития и др. осуществлены при взрывах термоядерных (водородных) бомб.
Длячастиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны ядерные реакции и Продукты ядерной реакции обычнорадиоактивны, для ядерной реакции- обычно стабильные ядра.
Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов (с ат. н. больше 100) важное значение имеют ядерные реакции, протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (²²Ne, ⁴⁰Аr и др.). Напр., по ядерной реакции м. б. осуществлен синтез фермия. Для ядерных реакций с тяжелыми ионами характерно большое число выходных каналов. Напр., при бомбардировке ядер ²³²Th ионами ⁴⁰Аr образуются ядра Са, Аr, S, Si, Mg, Ne.
Для осуществления ядерных реакций под действиемквантов пригодны кванты высоких энергий (десятки МэВ).Кванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие под действием налетающихквантов ядерные реакции называют фотоядерными, этих р-ций достигают 10³⁰ м².
Хотя электроны имеют заряд, противоположный заряду ядер, проникновение электронов в ядро возможно только в тех случаях, когда для облучения ядер используют электроны, энергия к-рых превышает десятки МэВ. Для получения таких электронов применяют бетатроны и др. ускорители.
Исследования ядерных реакций дают разнообразную информацию о внутр. строении ядер. Ядерные реакции с участием нейтронов позволяют получать огромное кол-во энергии в ядерных реакторах. В результате ядерных реакций деления под действием нейтронов образуется большое число разл. радионуклидов, к-рые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев ядерные реакции позволяют получать меченые соединения. Ядерные реакции лежат в основе активационного анализа. С помощью ядерных реакций осуществлен синтез искусственных хим. элементов (технеция, прометия, трансурановых элементов, трансактиноидов).

Лит.: Давыдов А. С, Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., 1965; Вильдермут К., Тан Я., Единая теория ядра, пер. с англ., М., 1980.

С. С. Бердоносов.