Журнал о Медицине
rss новости rss статьи rss все архив
Словарь научных терминов

Ядерные реакции

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами илиhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/1/19241.jpegквантами. Такое определение разграничивает собственно Я. р. и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.
Я. р. осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов разл. элементов) либоhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/2/19242.jpegквантов, к-рыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают Я. р

. 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).
Я. р. 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 Я. р. 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 Я. р. участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).
Обсуждается возможность протекания Я. р. 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 Я. р. ("холодного термоядерного синтеза") нет.
Я. р. подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. р-ции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании Я. р. действуют и нек-рые специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения барионного заряда (барионы - тяжелые элементарные частицы).
Записывать Я. р. можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона:

http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/3/19243.jpeg

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 Я. р. значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще Я. р. записывают короче. Так, Я. р. образования радионуклида 14С при облучении ядер 14N нейтронами записывают след. образом: 14N(n, р)14С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу илиhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/4/19244.jpegквант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы илиhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/5/19245.jpegквант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. Я. р.
При столкновении одних и тех же частиц Я. р. могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. Я. р.: 27А1(n,http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/6/19246.jpeg)28А1, 27А1(n, n)27А1, 27А1(n, 2n)26А1, 27А1(n, p)27Mg, 27Al(n,http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/7/19247.jpeg)24Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом Я. р., а частицы, рождающиеся в результате Я. р., образуют выходной канал.
Я. р. могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать Я. р. как А(a, b, то для такой Я. р. энергия равна: Q = [(МА + Ма) - в + Мb)] x с2, где М -массы участвующих в Я. р. частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (см. Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Q имеет вид:http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/8/19248.jpeg причем из соображения удобстваhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/4/9/19249.jpeg обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10-7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается Я. р., может в 106 раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при Я. р. становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после Я. р. Возможность выделения огромных кол-в энергии при осуществлении Я. р. лежит в основе ядерной энергетики (см. Ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в Я. р., а также соотношений между углами, под к-рыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных р-ций.

Механизмы Я. р. 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 Я. р. 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 Я. р. 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 илиhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/0/19250.jpegчастицу.
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 испускаетhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/1/19251.jpegквант (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 Я. р. В отличие от большинства хим. р-ций, при к-рых исходные в-ва, взятые в стехиометрич. кол-вах, реагируют между собой нацело, Я. р. 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 Я. р. Для количеств. характеристики вероятности протекания Я. р. 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 значенияhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/2/19252.jpeg для различных Я. р. изменяются в широких пределах (от 10-49 до 10-22 м2). Значениеhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/3/19253.jpeg 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 Я. р. по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений разл. процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.
Эффективные сечения Я. р. для ядер разл. изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления Я. р. нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы Я. р., т. е. отношение числа актов Я. р. 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 Я. р. пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см2 мишени, а также значению эффективного сечения Я. р. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении Я. р. под действием нейтронов не более неск. мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной Я. р., значительно меньше.

Бомбардирующие частицы. Для осуществления Я. р. используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t,http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/4/19254.jpeg частицы, тяжелые ионы (12С, 22Ne, 40Аr и др.), электроны е иhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/5/19255.jpegкванты. Источниками нейтронов (см. Нейтронные источники)при проведении Я. р. служат: смеси металлич. Be и подходящегоhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/6/19256.jpegизлучателя, напр. 226Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаевhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/7/19257.jpeg Я. р. 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 - Я. р. типаhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/8/19258.jpeg т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов иhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/5/9/19259.jpegчастиц. 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 Я. р. 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 Я. р. между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому Я. р. 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 Я. р. 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.
Дляhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/0/19260.jpegчастиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны Я. р.http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/1/19261.jpeg иhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/2/19262.jpeg Продукты Я. р.http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/3/19263.jpeg обычноhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/4/19264.jpegрадиоактивны, для Я. р.http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/5/19265.jpeg- обычно стабильные ядра.
Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов (с ат. н. больше 100) важное значение имеют Я. р., протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (22Ne, 40Аr и др.). Напр., по Я. р.http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/6/19266.jpeg м. б. осуществлен синтез фермия. Для Я. р. 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 Я. р. под действиемhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/7/19267.jpegквантов пригодныhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/8/19268.jpeg кванты высоких энергий (десятки МэВ).http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/6/9/19269.jpegКванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие под действием налетающихhttp://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/7/0/19270.jpegквантов Я. р. называют фотоядерными,http://www.pora.ru/image/encyclopedia/2/7/1/19271.jpeg 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 Я. р. дают разнообразную информацию о внутр. строении ядер. Я. р. с участием нейтронов позволяют получать огромное кол-во энергии в ядерных реакторах. В результате Я. р. деления под действием нейтронов образуется большое число разл. радионуклидов, к-рые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев Я. р. позволяют получать меченые соединения. Я. р. лежат в основе активационного анализа. С помощью Я. р. 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.


1. www.pravda.ru: Астрофизик: Надо думать о завтрашнем дне, а не о конце света
02.07.2013
... Солнце происходит выгорание, оно светит за счет того, что там идут ядерные реакции, превращается водород в гелий. Вот когда он полностью превратится в гелий… Сейчас прошло 5 млрд лет и уже половина центральной области водорода превратилась в гелий. Вторая половина ...
2. www.pravda.ru: Россия и Украина строят завод по производству топлива
04.10.2012
... основу его продукции составят тепловыделяющие сборки - изделия, содержащие ядерные материалы для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счет контролируемой ядерной ...
3. www.pravda.ru: "Фукусима-1" чуть снова не взорвалась
02.11.2011
... зафиксировали неконтролируемую ядерную реакцию на одном из реакторов аварийной АЭС "Фукусима-1" в Японии, что могло привести к взрыву. Работники электростанции вовремя приняли срочные меры и не допустили серьезных последствий. Об инциденте ...
4. www.pravda.ru: Да Винчи и Галилео Галилей станут химическими элементами
14.10.2011
... эксперимент по синтезу 119-го сверхтяжелого элемента. Об этом, как передает "Фокус", объявил научный руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), академик Российской академии наук Юрий Оганесян. Эксперименты будут проводиться совместно с коллегами из США. ...
5. www.pravda.ru: Дождь из метеоров принесет золото
23.09.2011
... Лисестерского университета, построив компьютерную модель, пришли к выводу, что образованию драгметаллов способствовали ядерные реакции, причиной которых послужило столкновение двух сверхплотных нейтронных звезд. В результате из входивших в их состав более легких элементов, таких, как железо и никель (если сравнивать с той же ...
6. www.pravda.ru: Газовые облака могут взорвать Вселенную
06.09.2011
... они в любом случае могут являться источником мощных взрывов. Дело в том, что из-за своей величины они постепенно сжимаются под действием собственного веса и уплотняются, что способствует ядерным реакциям. Однако эти реакции вызывают давление, идущее изнутри, которое противодействует коллапсу. ...
7. www.pravda.ru: В Кремле вручили Госпремии по науке и искусству
12.06.2011
... гендиректор научно-технического объединения "ИРЭ-Полюс" Валентин Гапонцев, вице-директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Михаил Иткис и научный руководитель лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований Юрий Оганесян. ...
8. www.yoki.ru: Луна могла сформироваться в результате взрыва
29.01.2010
... что существование естественных ядерных реакторов на Земле является уже доказанным фактом. Так около 1,5 миллиарда лет на территории современного Габона в отложениях урана шла цепная ядерная реакция, доказательства чего были найдены в 1972 году. ...
9. www.yoki.ru: В 1999 году Япония чудом избежала ядерной катастрофы
15.03.2007
... проведенного спецкомиссией Министерства экономики, торговли и промышленности страны "Восходящего Солнца". На одной из атомных станций целых 15 минут продолжалась неконтролируемая цепная реакция, но владелец АЭС "благополучно" все скрыл от властей.Расследование выявило, что опаснейший инцидент произошел в 1999 году во время планового осмотра реактора на ...




Здоровье и профилактика Акушерство и гинекология Стоматология Красота Зрение Энциклопеди Адреса Реклама
Видео