Ядерные реакции

​

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают прев­ращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в превращениях частиц.

 

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. С примерами ядерных реакций вы уже познако­мились.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим части­цам (или ядрам) сообщена большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, а-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускори­телей элементарных частиц и ионов ( посмотреть опыт).

Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых ра­диоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорите­лей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо больше той, которую имеют а-частицы (макси­мально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, ко­торые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что их заряд вдвое меньше заряда а-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ус­корить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осу­ществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две а-час­тицы:

       

​

Как видно из фотографии треков в камере Вильсона (рисунок 7.19), ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой в соответствии с требованиями закона сохранения импульса(импульс протона много меньше импульса возни­кающих а-частиц).

​

 

Энергетический выход ядерных реакций

В описанной выше ядерной реакции кинетическая энергия двух образующихся ядер гелия оказалась больше кинетиче­ской энергии вступавшего в реакцию протона на 7,3 МэВ. Пре­вращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергия связи). В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся а-частиц.

Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях частиц и ядер не остается неизменной. Ведь энергия покоя ядра , согласно формуле, непосредственно выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энергии измене­ние кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после ре­акции. Согласно сказанному ранее энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энер­гии частиц — участников реакции.

Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии. В противном случае реакция идет с поглощением энергии. Именно такого рода реакция происходит при бомбардировке азота а-частицами . Часть кинетической энергии (примерно 1,2- 106 эВ) переходит в процессе этой реакции во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра.

Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть огромной. Но использовать ее путем осуществления столкно­вений ускоренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени практически нельзя. Ведь большая часть ускоренных частиц пролетает мимо ядер мишени, не вызывая реакции.

 

Ядерные реакции на нейтронах

Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследо­вании ядерных реакций. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызы­вают их изменения. Например, наблюдается следующая реак­ция:

​

​

Великий итальянский физик Энрико Ферми (1901 —1954) первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами. Причем эти медлен­ные нейтроны оказываются в большинстве случаев даже гораз­до более эффективными, чем быстрые. Поэтому быстрые нейт­роны целесообразно предварительно замедлять. Замедление нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится большое число ядер водорода — протонов, масса которых по­чти равна массе нейтронов. При столкновениях же шаров оди­наковой массы происходит наиболее интенсивная передача ки­нетической энергии. При центральном соударении нейтрона с покоящимся протоном он целиком передает протону свою ки­нетическую энергию.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Что называется ядерной реакцией?

2. Какие законы сохранения выполняются в ядерных реакциях?

3.Как вычисляют энергетический выход ядерной реакции?

​