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 1936 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 ~A і часціцы ў сістэме цэнтра інерцыі.

### Энергія ўзбуджэння 
Энергія ўзбуджэння ~ E^*  састаўнога ядра, што ўтварылася пры паглынанні свабоднага нуклона, роўная суме энергіі сувязі ~ E_c  нуклона і часткі яго кінетычнай энергіі ~ E^' :

~ E^* = E_c + E' 

Часцей за ўсё з прычыны вялікай розніцы ў масах ядра і нуклона ~ E'  прыкладна роўная кінетычнай энергіі ~ E  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 ~ E  можа быць блізкім да нуля. Такім чынам энергія сувязі з’яўляецца мінімальнай энергіяй ўзбуджэння састаўнога ядра 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 :

{}^{2}_{1}\textrm{H}(D) + {}^{3}_{1}\textrm{H}(T)\rightarrow {}^{4}_{2}\textrm{He}+ {}^{1}_{0}\textrm{n} **+ 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 часціца. 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 ~ (\gamma, n)  і ~ (\gamma, p) , 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:

{}^{113}_{48}\textrm{Cd} + n \rightarrow {}^{114}_{48}\textrm{Cd} + \gamma.

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:

{}^{113}_{48}\textrm{Cd}(n, \gamma) {}^{114}_{48}\textrm{Cd}.

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

{}^{14}_{7}\textrm{N} (\alpha, p) {}^{17}_{8}\textrm{O}, дзе p = {}^{1}_{1}\textrm{H} — ядро атама вадароду, пратон.

У «хімічным» запісе гэта рэакцыя выглядае як

{}^{14}_{7}\textrm{N} + \alpha \rightarrow p + {}^{17}_{8}\textrm{O}.

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

Катэгорыя:Ядзерныя рэакцыі