Ядзерная рэакцыя

Ядзерная рэакцыя — гэта працэс ўзаемадзеяння атамнага ядра з іншым ядром або элементарнай часціцай, які суправаджаецца змяненнем складу і структуры ядра і вылучэннем вялікай колькасці энергіі. Упершыню ядзерную рэакцыю назіраў Рэзерфорд ў 1919 годзе, бамбардуючы α-часціцамі ядры атамаў азоту, яна была зафіксавана па з’яўленні другасных іанізуючых часціц, якія маюць прабег у газе больш прабегу α-часціц і ідэнтыфікаваных як пратоны. Пасля з дапамогай камеры Вільсана былі атрыманы фатаграфіі гэтага працэсу.

Па механізме ўзаемадзеяння ядзерныя рэакцыі дзеляцца на два тыпы:

 рэакцыі з утварэннем састаўнога ядра, гэта двухстадыйны працэс, які працякае пры не вельмі вялікай кінетычнай энергіі часціц, што сутыкаюцца (прыкладна да 10 МэВ).
 прамыя ядзерныя рэакцыі, якія праходзяць за ядзерны час, неабходны для таго, каб часціца перасекла ядро. Галоўным чынам такі механізм выяўляецца пры вялікіх энергіях часціц.

Калі пасля сутыкнення захоўваюцца зыходныя ядры і часціцы і не нараджаюцца новыя, то рэакцыя з’яўляецца пругкім рассейваннем ў поле ядзерных сіл, суправаджаецца толькі пераразмеркаваннем кінетычнай энергіі і імпульсу часціцы і ядра-мішэні і называецца патэнцыйным рассейваннем.

 Механізмы ядзернай рэакцыі 

 Састаўное ядро 

Тэорыя механізму рэакцыі з утварэннем састаўнога ядра была распрацавана Нільсам Борам ў 1936Н. Бор Захват нейтрона и строение ядра // УФН. — 1936. — В. 4. — Т. 14. — № 4. — С. 425—435. сумесна з тэорыяй кропельнай мадэлі ядра і ляжыць у аснове сучасных уяўленняў аб вялікай частцы ядзерных рэакцый.

Згодна з гэтай тэорыяй ядзерная рэакцыя ідзе ў два этапы. У пачатку зыходныя часціцы ўтвараюць прамежкавае (састаўное) ядро за ядзерны час, гэта значыць час, неабходны для таго, каб часціца перасекла ядро, прыкладна роўны 10−23 — 10−21 с. Пры гэтым састаўное ядро заўсёды ўтворыцца ва ўзбуджаным стане, таму што яно валодае залішняй энергіяй, што прыўносіцца часціцай ў ядро ў выглядзе энергіі сувязі нуклона ў састаўным ядры і часткі яго кінетычнай энергіі, якая роўная суме кінетычнай энергіі ядра-мішэні з масавым лікам  і часціцы ў сістэме цэнтра інерцыі.

 Энергія ўзбуджэння 

Энергія ўзбуджэння  састаўнога ядра, што ўтварылася пры паглынанні свабоднага нуклона, роўная суме энергіі сувязі  нуклона і часткі яго кінетычнай энергіі :

Часцей за ўсё з прычыны вялікай розніцы ў масах ядра і нуклона  прыкладна роўная кінетычнай энергіі  нуклона, які бамбардзіруе ядро.

У сярэднім энергія сувязі роўная 8 МэВ, змяняючыся ў залежнасці ад асаблівасцей састаўнога ядра, якое ўтвараецца, аднак для даных ядра-мішэні і нуклона гэтая велічыня з’яўляецца канстантай. Кінетычная ж энергія бамбардзіруемай часціцы можа быць якой заўгодна, напрыклад, пры ўзбуджэнні ядзерных рэакцый нейтронамі, патэнцыял якіх не мае кулонаўскага бар’ера, значэнне  можа быць блізкім да нуля. Такім чынам энергія сувязі з’яўляецца мінімальнай энергіяй ўзбуджэння састаўнога ядра.

 Каналы рэакцый 

Пераход у няўзбуджаны стан можа ажыццяўляцца рознымі шляхамі, званымі каналамі рэакцыі. Тыпы і квантавы стан стрэчных часціц і ядраў да пачатку рэакцыі вызначаюць ўваходны канал рэакцыі. Пасля завяршэння рэакцыі сукупнасць прадуктаў рэакцыі, што ўтварыліся, і іх квантавых станаў вызначае выходны канал рэакцыі. Рэакцыя цалкам характарызуецца ўваходным і выходным каналамі.

Каналы рэакцыі не залежаць ад спосабу ўтварэння састаўнога ядра, што можа быць растлумачана вялікім часам жыцця састаўнога ядра, яно як бы «забывае», якім спосабам ўтварылася, такім чынам, утварэнне і распад састаўнога ядра можна разглядаць як незалежныя падзеі. Да прыкладу,  можа ўтварыцца як састаўное ядро ва ўзбуджаным стане ў адной з наступных рэакцый:

Пасля, пры ўмове аднолькавай энергіі ўзбуджэння, гэта састаўное ядро можа распасціся шляхам, адваротным любой з гэтых рэакцый, з пэўнай імавернасцю, якая не залежыць ад гісторыі ўзнікнення гэтага ядра. Імавернасць жа ўтварэння састаўнога ядра залежыць ад энергіі і ад гатунку ядра-мішэні.

 Прамыя ядзерныя рэакцыі 

Працяг ядзерных рэакцый магчымы і праз механізм прамога ўзаемадзеяння, у асноўным, такі механізм выяўляецца пры вельмі вялікіх энергіях часціц, калі нуклоны ядра можна разглядаць як свабодныя. Ад механізму састаўнога ядра прамыя рэакцыі адрозніваюцца, перш за ўсё, размеркаваннем вектараў імпульсаў часціц-прадуктаў адносна імпульсу часціц. У адрозненне ад сферычнай сіметрыі механізму састаўнога ядра для прамога ўзаемадзеяння характэрны пераважны кірунак палёту прадуктаў рэакцыі наперад адносна кірунку руху стрэчных часціц. Размеркаванні па энергіях часціц-прадуктаў у гэтых выпадках таксама розныя. Для прамога ўзаемадзеяння характэрны лішак часціц з высокай энергіяй. Пры сутыкненнях з ядрамі складаных часціц (гэта значыць іншых ядраў) магчымыя працэсы перадачы нуклонаў ад ядра да ядра або абмен нуклонамі. Такія рэакцыі адбываюцца без утварэння састаўнога ядра і ім ўласцівыя ўсе асаблівасці прамога ўзаемадзеяння.

 Сячэнне ядзернай рэакцыі 

Імавернасць рэакцыі вызначаецца так званым ядзерным сячэннем рэакцыі. У лабараторнай сістэме адліку (дзе ядро-мішэнь у стане спакою) імавернасць ўзаемадзеяння ў адзінку часу роўная здабытку сячэння (выяўленага ў адзінках плошчы) на паток падаючых часціц (выяўлены ў колькасці часціц, якія перасякаюць за адзінку часу адзінкавую пляцоўку). Калі для аднаго уваходнага канала могуць ажыццяўляцца некалькі выходных каналаў, то адносіны імавернасцей выходных каналаў рэакцыі роўна адносінам іх сячэнняў. У ядзернай фізіцы перасеку рэакцый звычайна выражаюцца ў спецыяльных адзінках — барнах, роўных 10−24 см².

 Выхад рэакцыі 

Колькасць выпадкаў рэакцыі, аднесеная да ліку часціц, якія бамбавалі мішэнь  , называецца выхадам ядзернай рэакцыі. Гэтая велічыня вызначаецца на вопыце пры колькасных вымярэннях. Паколькі выхад непасрэдна звязаны з сячэннем рэакцыі, вымярэнне выхаду па сутнасці з’яўляецца вымярэннем сячэння рэакцыі.

 Законы захавання ў ядзерных рэакцыях 

Пры ядзерных рэакцыях выконваюцца ўсе законы захавання класічнай фізікі. Гэтыя законы накладваюць абмежаванні на магчымасць ажыццяўлення ядзернай рэакцыі. Нават энергетычна выгадны працэс заўсёды аказваецца немагчымым, калі суправаджаецца парушэннем якога-небудзь закона захавання. Акрамя таго, існуюць законы захавання, спецыфічныя для для мікрасвету; некаторыя з іх выконваюцца заўсёды, наколькі гэта вядома (закон захавання барыённага ліку, лептоннага ліку); іншыя законы захавання (ізаспіну, цотнасці, дзіўнасці) толькі душаць пэўныя рэакцыі, паколькі не выконваюцца для некаторых з фундаментальных узаемадзеянняў. Вынікамі законаў захавання з’яўляюцца так званыя правілы адбору, якія паказваюць на магчымасць або забарону тых ці іншых рэакцый.

 Закон захавання энергіі 

Калі , , ,  — поўныя энергіі дзвюх часціц да рэакцыі і пасля рэакцыі, то на падставе закону захавання энергіі:



Пры ўтварэнні больш за дзве часціцы адпаведны лік складнікаў ў правай частцы гэтага выказвання павінна быць большы. Поўная энергія часціцы роўная яе энергіі спакою ² і кінетычнай энергіі , таму:



Рознасць сумарных кінетычных энергій часціц на «выхадзе» і «ўваходзе» рэакцыі  завецца энергіяй рэакцыі (ці энергетычным выхадам рэакцыі). Яна задавальняе ўмове:



Множнік 1/² звычайна апускаюць, пры падліку энергетычнага балансу выказваючы масы часціц ў энергетычных адзінках (або часам энергіі ў масавых адзінках).

Калі  > 0, то рэакцыя суправаджаецца вылучэннем свабоднай энергіі і называецца экзаэнергетычнай, калі  < 0, то рэакцыя суправаджаецца паглынаннем свабоднай энергіі і называецца эндаэнергетычнай.

Лёгка заўважыць, што  > 0 тады, калі сума мас часціц-прадуктаў менш за суму мас зыходных часціц, гэта значыць вылучэнне свабоднай энергіі магчыма толькі за кошт зніжэння мас часціц, што рэагуюць. І наадварот, калі сума мас другасных часціц перавышае суму мас зыходных, то такая рэакцыя магчымая толькі пры ўмове выдатку нейкай колькасці кінетычнай энергіі на павелічэнне энергіі спакою, г. зн. мас новых часціц . Мінімальнае значэнне кінетычнай энергіі часціцы, што налятае, пры якой магчымая эндаэнергетычная рэакцыя, называецца парогавай энергіяй рэакцыі. Эндаэнергетычныя рэакцыі называюць таксама парогавымі рэакцыямі, паколькі яны не адбываюцца пры энергіях часціц ніжэй парога.

 Закон захавання імпульсу 

Поўны імпульс часціц да рэакцыі роўны поўнаму імпульсу часціц-прадуктаў рэакцыі. Калі , , ,  — вектары імпульсаў дзвюх часціц да рэакцыі і пасля рэакцыі, то



Кожны з вектараў можа быць незалежна вымераны на вопыце, напрыклад, магнітным спектрометрам. Эксперыментальныя дадзеныя сведчаць аб тым, што закон захавання імпульсу справядлівы як пры ядзерных рэакцыях, так і ў працэсах рассейвання мікрачасціц.

 Закон захавання моманту імпульсу 

Момант колькасці руху таксама захоўваецца пры ядзерных рэакцыях. У выніку сутыкнення мікрачасціц утвараюцца толькі такія састаўныя ядры, момант імпульсу якіх роўны аднаму з магчымых значэнняў моманту, які атрымліваецца пры складанні ўласных механічных момантаў (спінаў) часціц і моманту іх адноснага руху (арбітальнага моманту). Каналы распаду складовага ядра таксама могуць быць толькі такімі, каб захоўваўся сумарны момант колькасці руху (сума спінавага і арбітальнага момантаў).

 Іншыя законы захавання 

 пры ядзерных рэакцыях захоўваецца электрычны зарад — алгебраічная сума элементарных зарадаў да рэакцыі роўная алгебраічнай суме зарадаў пасля рэакцыі.
 пры ядзерных рэакцыях захоўваецца лік нуклонаў, што ў самых агульных выпадках інтэрпрэтуецца як захаванне барыённага ліку. Калі кінетычныя энергіі нуклонаў, што сутыкаюцца, вельмі высокія, то магчымыя рэакцыі нараджэння нуклонных пар. Паколькі нуклонам і антынуклонам прыпісваюцца супрацьлеглыя знакі, то пры любых працэсах алгебраічная сума барыённых лікаў заўсёды застаецца нязменнай.
 пры ядзерных рэакцыях захоўваецца лік лептонаў (дакладней, рознасць колькасці лептонаў і колькасці антылептонаў, гл лептонны лік).
 пры ядзерных рэакцыях, якія працякаюць пад уздзеяннем ядзерных або электрамагнітных сіл, захоўваецца цотнасць хвалевай функцыі, якая апісвае стан часціц да і пасля рэакцыі. Цотнасць хвалевай функцыі не захоўваецца ў ператварэннях, абумоўленых слабымі ўзаемадзеяннямі.
 пры ядзерных рэакцыях, абумоўленых моцнымі ўзаемадзеяннямі, захоўваецца ізатапічны спін. Слабыя і электрамагнітныя ўзаемадзеянні ізаспін не захоўваюць.

 Віды ядзерных рэакцый 

Ядзерныя ўзаемадзеянні з часціцамі носяць вельмі разнастайны характар, іх віды і імавернасці той ці іншай рэакцыі залежаць ад выгляду часціц, што бамбардзіруюць, ядраў-мішэняў, энергій часціц і ядраў, што ўзаемадзейнічаюць, і многіх іншых фактараў.

 Ядзерная рэакцыя дзялення 

Ядзерная рэакцыя дзялення — працэс расшчаплення атамнага ядра на два (радзей тры) ядры з блізкімі масамі, званых асколкамі дзялення. У выніку дзялення могуць узнікаць і іншыя прадукты рэакцыі: лёгкія ядры (у асноўным, альфа-часціцы), нейтроны і гама-кванты. Дзяленне бывае спантанным (самаадвольным) і вымушаным (у выніку ўзаемадзеяння з іншымі часціцамі, перш за ўсё, з нейтронамі). Дзяленне цяжкіх ядраў — экзаэнергетычны працэс, у выніку якога вызваляецца вялікая колькасць энергіі ў выглядзе кінетычнай энергіі прадуктаў рэакцыі, а таксама выпраменьвання.

Дзяленне ядраў служыць крыніцай энергіі ў ядзерных рэактарах і ядзернай зброі.

 Ядзерная рэакцыя сінтэзу 

Ядзерная рэакцыя сінтэзу — працэс зліцця двух атамных ядраў з утварэннем новага, больш цяжкага ядра.

Акрамя новага ядра, у ходзе рэакцыі сінтэзу, як правіла, утворацца таксама розныя элементарныя часціцы і (або) кванты электрамагнітнага выпраменьвання.

Без падводу знешняй энергіі зліццё ядраў немагчыма, таму што станоўча зараджаныя ядры адчуваюць сілы электрастатычнага адштурхвання — гэта так званы «кулонаўскі бар’ер». Для сінтэзу ядраў неабходна зблізіць іх на адлегласць парадку 10−15 м, на якім дзеянне моцнага ўзаемадзеяння будзе перавышаць сілы электрастатычнага адштурхвання. Гэта магчыма ў выпадку, калі кінетычная энергія збліжаецца ядраў перавышае кулонаўскі бар’ер.

Такія ўмовы могуць скласціся ў двух выпадках:

 Калі атамныя ядра (іоны, пратоны або α-часціцы), якія валодаюць вялікай кінетычнай энергіяй, сустракаюць на сваім шляху іншыя атамныя ядры. У прыродзе гэта магчыма, напрыклад, пры сутыкненні часціц іанізаванага газу, напрыклад, у іанасферы Зямлі, з часціцамі касмічных прамянёў. Штучна такія рэакцыі рэалізуюцца ў вакуумных камерах з выкарыстаннем натуральных крыніц высокаэнергетычных α-часціц (упершыню 1919, Э.Резерфорд), а таксама паскаральнікаў зараджаных часціц (упершыню 1931, Р.Ван-дэ-Граафа)Ускорители заряженных частиц — БСЭ — Яндекс. Словари і устаноўках накшталт фузора або рэактара «Полівел», у якіх кінетычная энергія зараджаным часціцам надаецца электрычным полем. Такім шляхам былі атрыманы першыя штучныя ядзерныя рэакцыі сінтэзу і многія штучна сінтэзаваныя хімічныя элементы.

 Калі рэчыва награваецца да надзвычай высокіх тэмператур у зорцы або тэрмаядзерным рэактары. Згодна з кінетычнай тэорыяй, кінетычную энергію мікрачасціц, якія рухаюцца (атамаў, малекул або іонаў) можна прадставіць у выглядзе тэмпературы, а, такім чынам, награваючы рэчыва, можна дасягнуць ядзернай рэакцыі сінтэзу. У такім выпадку кажуць аб тэрмаядзерным сінтэзе або тэрмаядзернай рэакцыі.

 Тэрмаядзерная рэакцыя 

Тэрмаядзерная рэакцыя — зліццё двух атамных ядраў з утварэннем новага, больш цяжкага ядра, за кошт кінетычнай энергіі іх цеплавога руху.

Для ядзернай рэакцыі сінтэзу зыходныя ядры павінны валодаць адносна вялікай кінетычнай энергіяй, паколькі яны адчуваюць электрастатычнае адштурхванне, таму што аднайменна станоўча зараджаныя.

Згодна з кінетычнай тэорыяй, кінетычную энергію мікрачасціц рэчыва, якія рухаюцца (атамаў, малекул або іонаў) можна прадставіць у выглядзе тэмпературы, а, такім чынам, награваючы рэчыва, можна дасягнуць ядзернай рэакцыі сінтэзу.

Падобным чынам працякаюць ядзерныя рэакцыі натуральнага ядзернага сінтэзу ў зорках.

Рэакцыі сінтэзу паміж ядрамі лёгкіх элементаў аж да жалеза праходзяць экзаэнергетычна, з чым звязваюць магчымасць прымянення іх у энергетыцы, у выпадку рашэння праблемы кіравання тэрмаядзерным сінтэзам.

Перш за ўсё, сярод іх варта адзначыць рэакцыю паміж двума ізатопамі (дэйтэрый і трытый) вельмі распаўсюджанага на Зямлі вадароду, у выніку якой утвараецца гелій і вылучаецца нейтрон. Рэакцыя можа быць запісана ў выглядзе :

 + энергія (17,6 МэВ).

Выдзеленая энергія (якая ўзнікае з-за таго, што гелій-4 мае вельмі моцныя ядзерныя сувязі) пераходзіць у кінетычную энергію, большую частку з якой, 14,1 МэВ, выносіць з сабой нейтрон як больш лёгкая часціцаНа пути к термоядерной энергетике. Ядро, якое ўтварылася, трывала звязана, таму рэакцыя так моцна экзаэнергетычна. Гэтая рэакцыя характарызуецца ніжэйшым кулонаўскім бар’ерам і вялікім выхадам, таму яна прадстаўляе асаблівую цікавасць для кіраванага тэрмаядзернага сінтэзу.

Тэрмаядзерная рэакцыя таксама выкарыстоўваецца ў тэрмаядзернай зброі.

 Фотаядзерная рэакцыя 

Пры паглынанні гама-кванта ядро атрымлівае лішак энергіі без змены свайго нуклоннага складу, а ядро з лішкам энергіі з’яўляецца састаўным ядром. Як і іншыя ядзерныя рэакцыі, паглынанне ядром гама-кванта магчыма толькі пры выкананні неабходных энергетычных і спінавых суадносін. Калі перададзеная ядру энергія пераўзыходзіць энергію сувязі нуклона ў ядры, то распад састаўнога ядра адбываецца часцей за ўсё з выпусканнем нуклонаў, у асноўным, нейтронаў. Такі распад вядзе да ядзерных рэакцый  і , якія і называюцца фотаядзернымі, а з’ява выпускання нуклонаў ў гэтых рэакцыях — ядзерным фотаэфектам.

 Запіс ядзерных рэакцый 

Ядзерныя рэакцыі запісваюцца ў выглядзе адмысловых формул, у якіх сустракаюцца абазначэнні атамных ядраў і элементарных часціц.

Першы спосаб напісання формул ядзерных рэакцый аналагічны запісы формул рэакцый хімічных, гэта значыць злева запісваецца сума зыходных часціц, справа — сума атрыманых часціц (прадуктаў рэакцыі), а паміж імі ставіцца стрэлка.

Так, рэакцыя радыяцыйнага захопу нейтрона ядром кадмію-113 запісваецца так:

.

Мы бачым, што колькасць пратонаў і нейтронаў справа і злева застаецца аднолькавай (барыённы лік захоўваецца). Гэта ж адносіцца да электрычнага зараду, лептоннага ліку і іншых велічынь (энергія, імпульс, момант імпульсу, …). У некаторых рэакцыях, дзе ўдзельнічае слабае ўзаемадзеянне, пратоны могуць ператварацца ў нейтроны і наадварот, аднак іх сумарны лік не змяняецца.

Другі спосаб запісу, больш зручны для ядзернай фізікі, мае выгляд A (a, bcd…) B, дзе А — ядро мішэні , а — бамбардзіруючая часціца (у тым ліку ядро), b, с, d, … — выпусканыя часціцы (у тым ліку ядра), В — рэшткавае ядро. У дужках запісваюцца больш лёгкія прадукты рэакцыі, па-за — больш цяжкія. Так, вышэйпрыведзеная рэакцыя захопу нейтрона можа быць запісана ў такім выглядзе:

.

Рэакцыі часта называюць па сукупнасці стрэчнай і выпусканых часціц, якія стаяць у дужках; так, вышэй запісаны тыповы прыклад (n, γ)-рэакцыі.

Першае прымусовае ядзернае ператварэнне азоту ў кісларод, якое правёў Рэзерфорд, абстрэльваючы азот альфа-часціцамі, запісваецца з выглядзе формулы

, дзе  — ядро атама вадароду, пратон.

У «хімічным» запісе гэта рэакцыя выглядае як

.

 Спасылкі 
 Ядерные реакции, БСЭ.
 Ядерные реакции, Физическая энциклопедия.
 Ядерные реакции (учебный видеофильм)

Катэгорыя:Ядзерныя рэакцыі