Определение ядерной реакции и её отличия от радиоактивного распада
Ядерная реакция представляет собой процесс, при котором происходит изменение состава или энергетического состояния атомного ядра в результате взаимодействия с другим ядром или элементарной частицей. В отличие от самопроизвольного радиоактивного распада, ядерная реакция инициируется внешним воздействием и может быть управляемой. Эти реакции лежат в основе как ядерной энергетики, так и синтеза новых элементов, ядерной медицины и фундаментальных исследований строения материи.
Типы ядерных реакций
Существует несколько основных типов ядерных реакций:
Запись ядерной реакции и сохранение физических величин
Ядерная реакция записывается в виде:
a + X → Y + b, где a — налетающая
частица, X — мишень, Y — образовавшееся ядро,
b — выброшенная частица.
Основные законы сохранения, выполняемые в любой ядерной реакции:
Пороговые энергии и энергетический выход
Для каждой реакции существует минимальная энергия, необходимая для её протекания, — пороговая энергия. Она определяется как разность массы системы до и после реакции, выраженная через эквивалентную энергию по формуле Эйнштейна:
Q = (mₐ + mₓ − mᵧ − m_b)·c²
Если Q > 0 — реакция экзотермическая (идёт с выделением энергии), если Q < 0 — эндотермическая (требует подвода энергии). Энергетический выход реакции определяется именно этим значением Q.
Сечения ядерных реакций
Вероятность протекания ядерной реакции количественно выражается через сечение реакции (σ), которое имеет размерность площади и измеряется в барнах (1 барн = 10⁻²⁴ см²). Это эффективная площадь, характеризующая вероятность взаимодействия налетающей частицы с ядром.
Сечение зависит от:
Сечения бывают:
Механизмы ядерных реакций
Различают несколько механизмов, определяющих путь протекания реакции:
Прямые реакции Протекают за очень короткое время (∼10⁻²² с) и характеризуются взаимодействием с частью ядра. Примеры: (d,p), (p,α) и др. Важны при изучении структуры ядра.
Комплексные (через составное ядро) Образуется промежуточное возбужденное ядро, живущее ∼10⁻¹⁶ с, которое затем распадается. Это один из основных механизмов в реакциях с нейтронами, включая (n,γ), (n,p) и т.д.
Многоступенчатые и каскадные процессы Ядро может последовательно испускать несколько частиц, переходя в цепочку промежуточных состояний.
Ядерные резонансы При совпадении энергии налетающей частицы с уровнем возбуждения ядра наблюдается резкое увеличение вероятности реакции — резонанс. Это характерно, например, для (n,γ)-реакций в области тепловых нейтронов.
Зависимость сечений от энергии
Поведение σ(E) критично для понимания процессов в реакторах и астрофизике:
Реакции с нейтронами
Особый интерес вызывают реакции с участием нейтронов, благодаря отсутствию электрического заряда:
Реакции деления
Реакции деления тяжёлых ядер (например, U-235, Pu-239) являются основой ядерной энергетики. Под действием нейтрона ядро распадается на два (иногда три) осколка, испуская нейтроны и большую энергию (∼200 МэВ). Возможны спонтанные и индуцированные деления.
Реакции синтеза
Обратный процесс — термоядерный синтез — объединение легких ядер (например, D + T → ⁴He + n + 17.6 МэВ). Эффективен при высоких температурах (10⁷–10⁸ K) и лежит в основе работы звезд. Практическая реализация требует преодоления кулоновского отталкивания.
Зеркальные, обратимые и изомерные реакции
Некоторые реакции обратимы, например:
(p,n) ↔︎ (n,p) — при условии соответствия энергий.
Зеркальные реакции — отражают симметрию зарядов, важны в тестах моделей ядра.
Изомерные ядерные состояния могут сохраняться в продуктах реакции, что также отражает особенности структуры возбужденных уровней.
Модель составного ядра (Бора)
Одна из центральных моделей в описании ядерных реакций. Согласно ей:
Эта модель применима, когда время жизни составного ядра велико по сравнению с временем взаимодействия.
Применение ядерных реакций