Clasificación de las reacciones nucleares. Reacciones nucleares y sus clasificaciones

Hay varias interpretaciones del término reacciones nucleares. En un sentido amplio, una reacción nuclear es cualquier proceso que comienza con una colisión de dos, rara vez varias, partículas (simples o complejas) y procede, por regla general, con la participación de interacciones fuertes. Esta definición también la satisfacen las reacciones nucleares en sentido estricto Esta palabra, que se refiere a procesos que comienzan con la colisión de una partícula simple o compleja (nucleón, partícula a, y-quantum) con un núcleo. Tenga en cuenta que la definición de una reacción satisface como caso especial y dispersión de partículas.1 A continuación se dan dos ejemplos de reacciones nucleares.

Históricamente la primera reacción nuclear (Rutherford, 1919 - descubrimiento del protón):

Descubrimiento del neutrón (Chadwick, 1932):

El estudio de las reacciones nucleares es necesario para obtener información sobre las propiedades de nuevos núcleos y partículas elementales, estados excitados de los núcleos, etc. No debe olvidarse que en el microcosmos, debido a la presencia de leyes cuánticas, es imposible “mirar” una partícula o un núcleo. Por lo tanto, el método principal para estudiar microobjetos es el estudio de sus colisiones, es decir, reacciones nucleares. Desde un punto de vista aplicado, las reacciones nucleares son necesarias para el aprovechamiento de la energía nuclear, así como para la producción de radionúclidos artificiales.

Las reacciones nucleares pueden ocurrir naturalmente (por ejemplo, en el interior de las estrellas o en rayos cósmicos). Pero su estudio generalmente se lleva a cabo en condiciones de laboratorio, en configuraciones experimentales. Para llevar a cabo reacciones nucleares es necesario acercar partículas o núcleos a núcleos hasta distancias del orden del radio de acción de las fuerzas nucleares. La barrera de Coulomb impide el acercamiento de partículas cargadas a los núcleos. Por lo tanto, para llevar a cabo reacciones nucleares sobre partículas cargadas, utilizan aceleradores, en el que las partículas, acelerando en un campo eléctrico, adquieren la energía necesaria para superar la barrera. A veces esta energía es comparable a la energía en reposo de la partícula o incluso la supera: en este caso, el movimiento está descrito por las leyes de la mecánica relativista. En aceleradores convencionales ( Acelerador lineal, ciclotrón etc.) la más pesada de las dos partículas que chocan, por regla general, está en reposo, mientras que la más ligera choca. Una partícula en reposo se llama objetivo (inglés - objetivo). Superposición, o bombardeo, las partículas en el idioma ruso no recibieron un nombre especial (en idioma en Inglés se utiliza el término proyectil). En aceleradores de haz en colisión (colisionadores) ambas partículas que chocan se mueven, de modo que la separación en un objetivo y un haz de partículas incidentes pierde sentido.

La energía de una partícula cargada en una reacción puede ser incluso menor que la altura de la barrera de Coulomb, como fue el caso de los experimentos clásicos de J. Cockcroft y E. Walton, quienes en 1932 dividieron artificialmente núcleos de litio bombardeándolos con energía acelerada. carreras. En sus experimentos, la penetración del protón en el núcleo objetivo se produjo mediante un túnel a través de la barrera de potencial de Coulomb (véase la lección 7). La probabilidad de tal proceso es, por supuesto, muy baja debido a la poca transparencia de la barrera.

Hay varias formas de registrar simbólicamente las reacciones nucleares, dos de las cuales se dan a continuación:

Un conjunto de partículas en colisión en un cierto estado cuántico (por ejemplo, R y Li) se llaman canal de entrada reacción nuclear. Las colisiones de las mismas partículas (canal de entrada fijo) en el caso general pueden conducir a diferentes productos de reacción. Así, en colisiones de protones con Li, las reacciones Li (R, 2a), li (R,PAGS) Ser, 7 Li(/;, d.f. Ser, etc. En este caso, se habla de procesos en competencia, o de un conjunto canales de salida

Las reacciones nucleares a menudo se escriben en una forma aún más corta: (a, b) - esos. indicando solo partículas ligeras y no indicando los núcleos involucrados en la reacción. Por ejemplo, la entrada (/>, PAGS) significa que un protón elimina un neutrón de algún núcleo, ( PAGS, y) - absorción de un neutrón por un núcleo con emisión de un cuanto y, etc.

Clasificación de las reacciones nucleares puede llevarse a cabo por los siguientes motivos:

I. Por tipo de proceso en curso

• 1) captura de radiación: (l, y),(R,y)
• 2) efecto fotoeléctrico nuclear: (y, l), (y, R)
• 3) reacciones nucleón-nucleón:
  • a) eliminando un nucleón o un grupo de nucleones (n, R),(R, a), etc
  • b) "evaporación" de nucleones (/?, 2n), (R, 2R) etc
  • c) desglose ( D, /?), (d, p) y recogida (p, d), (l, D)
• 4) división: (l, D (r, D O /, U)
• 5) síntesis (fusión)
• 6) dispersión inelástica: (l, l ')
• 7) dispersión elástica: (l, l)

//. Sobre la base de la liberación o absorción de energía.

• 1) reacciones exotérmicas
• 2) reacciones endotérmicas

tercero Por la energía de las partículas que bombardean

• 1) bajas energías (
• 2) energías medias (1 keV-10 MeV)
• 3) altas energías (> 10 MeV)

IV. Por la masa de núcleos bombardeados

• 1) sobre núcleos ligeros (Un 50)
• 2) sobre núcleos de masas medias (50 A
• 3) en núcleos pesados (PERO > 100)

V Según el tipo de partículas que bombardean

• 1) sobre partículas cargadas (/;, s!, un e iones más pesados)
• 2) en neutrones
• 3) en fotones (reacciones fotonucleares)

• Durante la dispersión elástica, las partículas no sufren ningún cambio interno y no aparecen nuevas partículas. Solo hay una redistribución de energía e impulso entre ellos. En la dispersión inelástica, junto con dicho intercambio, se produce un cambio en el estado interno de al menos una de las partículas.
• Para aceleradores de partículas, véase la Lección 15.
• d es el símbolo aceptado para el deuterón, el núcleo del átomo de deuterio.

6. REACCIONES NUCLEARES

6.1 Clasificación de las reacciones nucleares y sus leyes generales.

reacción nuclear llamado proceso de fuerte interacción del núcleo nuclear con otros núcleos o partículas elementales, como resultado de lo cual se produce la transformación del núcleo.

En general, una reacción nuclear se escribe de la siguiente forma:

por donde
se indican los núcleos atómicos y las partículas elementales o núcleos ligeros (por ejemplo, el núcleo de helio) se indican en minúsculas. El proceso (6.1) puede proceder, en términos generales, de varias formas en competencia:

. (6.2)

Primera etapa reacción nuclear se llama canal de entrada El resultado de una reacción nuclear se llama canal de salida. Entre los canales de salida hay canales de inelástica
y elástico
dispersión. En estos procesos, los productos de reacción coinciden con las partículas que entran en la reacción. En el proceso de dispersión inelástica, cambia el estado interno del núcleo.

Las reacciones nucleares se pueden clasificar según varios criterios. 1. Según el tipo de partículas que inciden en el núcleo, las reacciones nucleares se dividen en: reacciones que ocurren bajo la acción de neutrones, partículas cargadas y - cuantos. Las reacciones bajo la influencia de - quanta no se deben a la interacción nuclear, sino a la interacción electromagnética. Dado que tales interacciones ocurren a distancias pequeñas y conducen a la transformación del núcleo, generalmente se las denomina reacciones nucleares. 2. Según el mecanismo de ocurrencia, las reacciones nucleares se dividen en: reacciones que ocurren con la formación de un núcleo intermedio y reacciones de interacción directa. 3. Desde el punto de vista energético, las reacciones nucleares se dividen en reacciones que proceden con la liberación de energía ( exotérmico) y con absorción de energía ( endotérmico).

El curso de las reacciones nucleares va acompañado de una serie de leyes de conservación. En todas las reacciones nucleares, carga eléctrica: la carga eléctrica total de las partículas que entran en la reacción es igual a la carga eléctrica total de las partículas formadas en la reacción. Si una reacción nuclear transcurre sin la formación de antipartículas, entonces se conserva el número total de nucleones. Los nucleones (protón, neutrón) se atribuyen carga bariónica igual a +1. Además de los nucleones, otras partículas pesadas también tienen una carga bariónica: bariones. Para antinucleones y antibariones, se supone que la carga del barión es menos uno. De acuerdo a esta definición Todas las reacciones nucleares conservan la carga bariónica. Obviamente, la carga bariónica del núcleo coincide con su número de masa.

En ausencia de interacción débil, es decir, tales procesos incluyen reacciones nucleares que están controladas por interacciones nucleares y electromagnéticas, se debe cumplir la ley de conservación de la paridad. Para una reacción nuclear de la forma (6.1), la ley de conservación de la paridad se escribe como

Aquí
son las paridades internas de las partículas,
son los momentos orbitales de los correspondientes pares de partículas.

En las reacciones nucleares, debido únicamente a interacciones fuertes, el isospín se conserva: el isospín total de las partículas que entran en la reacción es igual al isospín total de las partículas resultantes. En las reacciones que involucran interacción electromagnética, se conserva la proyección de isospín.

Las leyes de conservación imponen ciertas prohibiciones sobre el curso de las reacciones nucleares y permiten determinar las posibilidades del curso de las reacciones nucleares.

6.2 Leyes de conservación de la energía y del momento en las reacciones nucleares.

Considere una reacción del tipo (6.1). La ley de conservación para este tipo de reacción tiene la siguiente forma:

,
. (6.4)

Aquí
- energías de descanso,
son las energías cinéticas de las partículas inicial y final, respectivamente.

La ley de conservación de la cantidad de movimiento tiene la forma:

. (6.5)

En el marco de referencia donde el núcleo objetivo está en reposo ( sistema de laboratorio- LS), debe ponerse
. En el sistema del centro de inercia (SCI), se debe tomar
.

Energía de reacción se llama la cantidad

Si
(se libera energía), la reacción se llama exoenergético(exotérmico). Si
(la energía se absorbe), la reacción se llama endoenergético(endotérmico). Para dispersión elástica
.

Las reacciones exotérmicas y las reacciones de dispersión elástica pueden ocurrir con cualquier energía cinética de una partícula que incide sobre un núcleo (para una partícula cargada, esta energía debe exceder la barrera de Coulomb del núcleo). Las reacciones endotérmicas son posibles solo cuando la partícula incidente tiene una energía suficientemente alta. Esta energía debe exceder energía umbral de reacción. La energía de reacción umbral es la energía cinética mínima de las partículas en colisión (la energía cinética mínima de una partícula incidente, si el núcleo objetivo está en reposo), en la que la reacción se hace posible. En este caso, la energía cinética importa. movimiento relativo partículas Expliquemos esto. Deje que dos partículas se muevan una respecto a la otra. En el LS, donde una de las partículas (por ejemplo, la segunda) está en reposo,
. En este caso, el centro de inercia del sistema se mueve en el LS y el sistema tiene energía cinética:
- en el caso no relativista, que no juega un papel para la reacción. Para que ocurra una reacción endotérmica, es necesario que la energía cinética del movimiento relativo de las partículas sea al menos . Esos. la energía umbral está determinada por la igualdad:

. (6.7)

Por definición, el umbral de energía es:

. (6.8)

De las fórmulas (6.7) y (6.8) encontramos:

. (6.9)

De la fórmula (6.9) se deduce que la energía umbral excede la energía de reacción. Eligiendo el núcleo objetivo como partícula en reposo, finalmente obtenemos:

. (6.10)

Considere una generalización de la fórmula (6.10) al caso relativista. En este caso, utilizaremos un sistema de unidades en el que
. De acuerdo con la mecánica relativista, el momento y la energía forman un 4-momentum
. El cuadrado del momento tetradimensional es un invariante y es igual al cuadrado de la masa de la partícula:

Para un sistema de partículas que no interactúan, la energía y el momento de cada partícula se conservan. Por lo tanto, se conserva el 4-momento de cada partícula. El 4-momento total del sistema en este caso es:

Como se conservan los 4-momentos de las partículas individuales, también se conserva el 4-momento total del sistema. De acuerdo con la teoría relativista, introducimos el cuadrado de la masa del sistema, que es igual al cuadrado de su 4-momentum:

. (6.13)

La última fórmula es válida tanto para un sistema de partículas que no interactúan como para un sistema de partículas que interactúan. Sin embargo, para un sistema de partículas que interactúan, ya no es posible calcular el 4-momento utilizando las fórmulas (6.12).

En física nuclear, al considerar las reacciones nucleares, consideramos que las partículas que entran en la reacción están a grandes distancias entre sí antes de la interacción y pueden considerarse libres. Después de la interacción, las partículas formadas en la reacción se dispersan a largas distancias y pueden considerarse libres. La ley de conservación de la cantidad de movimiento 4 establece que la cantidad de movimiento 4 del sistema antes de la interacción es igual a la cantidad de movimiento 4 del sistema después de la interacción, es decir

. (6.14)

De las fórmulas (6.14) y (6.13) se deduce que la masa del sistema de partículas no cambia:

. (6.15)

Deja que el núcleo
descansa en LS, una partícula de masa golpea el núcleo. Cuadrado 4: el impulso del sistema antes de la interacción de las partículas:

Calculemos ahora el 4-momento del sistema de partículas después de la interacción en el SDH y usemos la propiedad de invariancia del 4-momento al cuadrado. La energía umbral corresponde a la situación en la que las partículas formadas en el SDH están en reposo. Así, en la SDH:

El momento de la partícula incidente se puede expresar en términos de su energía:

La energía de reacción de acuerdo con la primera igualdad de la fórmula (6.6):

De las dos últimas fórmulas se sigue:

. (6.20)

La fórmula (6.20) es una generalización relativista de la fórmula (6.10). De hecho, en el caso no relativista, la energía es mucho menos energia resto (masa) de cada una de las partículas que intervienen en la reacción. En este caso, el último término entre paréntesis de la fórmula (6.20) se puede despreciar y pasamos a la fórmula (6.10). En el caso no relativista, la energía umbral es proporcional a la energía de reacción. En el caso relativista, depende cuadráticamente de la energía de reacción y puede excederla significativamente.

La fórmula (6.18) puede generalizarse al caso en que, en el proceso de interacción de dos partículas iniciales, partículas:

. (6.21)

Considere la reacción

en el que se forma un par neutrón-antineutrón. Considerando que la masa de cada partícula es igual a la masa del nucleón
, según la fórmula (6.21) encontramos la energía umbral:
5,8 GeV. Esta energía es tres veces la energía de reacción.
.

Como ejemplo de uso de la fórmula (6.10), presentamos la reacción:

.

De la primera igualdad de la fórmula (6.6) encontramos la energía de reacción:
MeV. Además, usando la fórmula (6.10), encontramos el umbral de reacción:

MeV.

6.3 Ley de conservación del momento angular.

En las reacciones nucleares, se conserva el momento angular total de las partículas que interactúan y su proyección en la dirección elegida.

Considere una reacción de la forma (6.1). Para ello, la ley de conservación de la cantidad de movimiento tiene la siguiente forma:

, (6.22)

aquí a través
se indican los espines de las partículas correspondientes,
son los momentos orbitales de los correspondientes pares de partículas, que caracterizan su movimiento relativo.

Todos los vectores incluidos en la fórmula (6.23) son mecánicos cuánticos. Tienen las siguientes características. Precaución vector mecánico puede tener simultáneamente ciertos valores del cuadrado del módulo
y una de sus proyecciones a la dirección asignada . En este caso, la proyección del vector puede tomar uno de los siguientes valores: , total
valores correspondientes a diferentes orientaciones del vector en el espacio. La suma de dos vectores
es ambiguo, y el número de Kant del vector suma puede tener los valores: , en total
valores, donde
- el valor mínimo de
. La contabilidad de estas características conduce a ciertas reglas de selección. Arriba, en particular, se consideraron las reglas de selección para las desintegraciones radiactivas.

6.4 Mecanismos de reacciones nucleares.

En el caso de considerar la estructura y propiedades de los núcleos, debido a la dificultad de describirlos con precisión, se recurre a la construcción de modelos nucleares, a partir de los cuales se explican determinadas propiedades de los núcleos. Un problema similar surge cuando se describen reacciones nucleares. Como en el caso de los núcleos, aquí se utilizan varios modelos, que se denominan mecanismos de reacción. Hay muchos mecanismos diferentes. A continuación, se describirán tres mecanismos principales de las reacciones nucleares: 1) el mecanismo del núcleo compuesto, 2) el mecanismo de las reacciones directas, 3) el mecanismo de fisión de los núcleos pesados.

6.4.1 Mecanismo de núcleo compuesto. El mecanismo de núcleo compuesto se utiliza para reacciones cuya duración es
supera significativamente al típico tiempo nuclear
c es el tiempo de vuelo de la partícula a través del núcleo. Según este mecanismo, la reacción se desarrolla en dos etapas:

En la primera etapa, se forma un núcleo intermedio compuesto ( compuesto), que existe durante bastante tiempo en estado excitado. Este núcleo tiene características bien definidas (masa, carga, espín, etc.). En la segunda etapa, el núcleo intermedio se descompone en productos de reacción.

Para este mecanismo de reacción, la larga vida útil del núcleo intermedio juega un papel importante. Hay varias razones por las que un núcleo intermedio puede tener una vida larga. 1. Energía de excitación (energía de unión de partículas en el núcleo y su energía cinética inicial) se distribuye entre todas las partículas del núcleo. Como resultado de esta redistribución de energía, ninguna de las partículas tiene suficiente energía para salir volando del núcleo. Para la desintegración del núcleo intermedio es necesaria la concentración inversa de energía sobre cualquier partícula o grupo de partículas. Tal proceso es de naturaleza fluctuante y tiene una baja probabilidad. 2. La emisión de una partícula desde el núcleo intermedio, a su vez, puede complicarse significativamente debido a ciertas reglas de selección. 3. La eliminación de la excitación del núcleo intermedio puede ocurrir debido a la radiación. Este proceso de eliminación de la excitación va acompañado de una reestructuración del núcleo, que requiere mucho tiempo.

Un rasgo característico del núcleo intermedio es el hecho de que su descomposición no depende de cómo se formó el núcleo. Esto permite que los dos pasos de la reacción se consideren independientemente uno del otro. La probabilidad de la descomposición del núcleo intermedio:

, (6.25)

donde
- ancho completo. Dado que el núcleo intermedio puede decaer a lo largo de varios canales (emisión: radiación, protón, neutrón, etc.), la probabilidad de decaimiento se puede representar como una suma de probabilidades parciales que caracterizan el decaimiento a lo largo de uno de los posibles canales:

Probabilidades relativas de desintegración del núcleo intermedio a través de este canal:
, donde - ancho parcial, según el mecanismo del núcleo intermedio no depende del método de su formación. Tenga en cuenta que los anchos total y parcial tienen la dimensión de la energía.

La energía de excitación del núcleo intermedio tiene un espectro discreto, es decir sólo puede tomar ciertos valores. Energía del estado fundamental estable de un sistema cuántico con tiempo de vida
estrictamente definido. Esto se sigue del principio de incertidumbre. En este caso, el estado de energía del núcleo se describe - una función (Fig. 6.1) con un ancho
. Este estado llamado estacionario. Los estados excitados del núcleo intermedio con una energía de excitación menor que la energía de separación de cualquier partícula y para los cuales la radiación está prohibida tienen una vida útil muy larga y, en consecuencia, un ancho de nivel muy pequeño. Tales estados se llaman metaestable. Los estados metaestables se pueden describir con un buen grado de precisión mediante una función. Los tiempos de vida de los estados excitados del núcleo intermedio, si no son metaestables, son del orden de 10-12 s o menos (estos tiempos son largos en comparación con el tiempo nuclear característico, pero cortos en comparación con el tiempo de vida de los estados metaestables) . Tales estados se caracterizan por un ancho suficientemente grande y se denominan cuasi-estacionario. La probabilidad de que el sistema en este estado tenga energía
, se describe mediante la distribución de dispersión:

. (6.27)

Esta distribución se muestra en la fig. 6.2.

Arroz. 6.1 figura 6.2

Se forma un núcleo compuesto en un estado casi estacionario excitado si la energía de la partícula incidente cae dentro del intervalo de incertidumbre de la energía del estado. Si el ancho de los niveles es mucho menor que la distancia promedio entre niveles vecinos, entonces, a una energía fija de partículas incidentes, la reacción procederá a través de un solo nivel. Este tipo de reacción se llama resonante.

A medida que aumenta la energía de excitación, los niveles de energía se condensan fuertemente y la desigualdad comienza a mantenerse.
. Los niveles de energía se superponen entre sí y la reacción puede proceder con cualquier energía de las partículas incidentes, a partir de un cierto valor. Tales reacciones se llaman fuera de resonancia.

Un rasgo característico de las reacciones resonantes es la distribución angular de los productos de reacción, que es simétrica en el SCR con respecto al plano perpendicular al momento de la partícula incidente ( simetría anverso-reverso) (Fig. 6.3). En el caso de reacciones no resonantes, la distribución angular de los productos de reacción en el SDH es isotrópica (Fig. 6.4).

0 90 180 0 90 180

Arroz. 6.3 figura 6.4
6.4.2 Mecanismo de reacciones directas. reacción directa es una reacción que transcurre en tiempos muy cortos (del orden del tiempo nuclear característico). Las reacciones directas proceden a energías relativamente altas (del orden de 10 MeV y más).

Las características de las reacciones directas son las siguientes. 1. Una partícula incidente, por ejemplo, un nucleón, transfiere casi toda su energía directamente a algún fragmento saliente del núcleo: un nucleón, - partícula. Por lo tanto, las partículas emitidas tienen una alta energía. 2. En este caso, la distribución angular de los productos de reacción tiene un carácter anisotrópico pronunciado. Las partículas salen volando del núcleo predominantemente en la dirección del impulso de la partícula incidente. 3. Las probabilidades de escape del núcleo de protones y neutrones son las mismas, ya que a altas energías de las partículas emitidas la presencia de la barrera de Coulomb es insignificante.

Existe una gran variedad de reacciones nucleares directas. Consideremos brevemente las siguientes reacciones: reacciones penetración incompleta deuterón en el núcleo, reacciones desglose y reacciones recoger.

Tomemos un deuterón como partícula incidente, que es una formación débilmente unida de un protón y un neutrón (energía de enlace 2,23 MeV). Durante la reacción de penetración incompleta, el deuterón es polarizado por las fuerzas de Coulomb con una ruptura en un protón y un neutrón, el neutrón se transfiere al núcleo ("ganchos" al núcleo), y el protón continúa su movimiento sin entrar en el núcleo. y prácticamente sin cambiar la dirección del movimiento.

La reacción de desprendimiento se observa en colisiones no centrales del deuterón y el núcleo objetivo. El protón y el neutrón en el deuterón están ubicados a grandes distancias entre sí y la mayor parte del tiempo pasan fuera del radio de acción de las fuerzas que los unen (una de las características del deuterón). En el momento de la interacción del deuterón con el núcleo diana, el protón y el neutrón del deuterón, debido a la gran distancia que los separa, pueden encontrarse en condiciones diferentes. Uno de los nucleones puede encontrarse en el campo de acción de las fuerzas nucleares del núcleo y ser capturado por éste. El segundo nucleón, que está fuera del campo del núcleo, no es capturado por el núcleo y vuela más allá del núcleo.

La reacción de captación consiste en el hecho de que el núcleo incidente, volando más allá del núcleo objetivo, recoge uno de los nucleones del núcleo objetivo y se lo lleva.

Tenga en cuenta que el proceso de intercambio de nucleones entre el deuterón y el núcleo objetivo está prohibido por la ley de conservación del espín isotópico. El proceso de intercambio mutuo de nucleones es posible para los casos en que la partícula incidente es un núcleo complejo.

6.4.3 Fisión de núcleos pesados. división El núcleo es el proceso de su transformación en varios núcleos, que son comparables en masa. Distinguir espontáneo Y forzado Fisión nuclear. La fisión espontánea es un proceso espontáneo y se refiere a las transformaciones radiactivas de los núcleos. La fisión nuclear forzada ocurre bajo la acción de partículas, generalmente neutrones.

Enumeramos las principales propiedades de la fisión nuclear.

1. La fisión de núcleos pesados ​​va acompañada de la liberación de gran energía. Esto se sigue de una comparación de las masas del núcleo inicial y los núcleos resultantes:

, (6.28)

donde es la masa del núcleo fisible, son las masas de los núcleos resultantes. Deje que el núcleo original se divida bajo la acción de un neutrón en dos fragmentos. Las masas de los núcleos se calculan mediante la fórmula:

donde es la energía de enlace por nucleón. Teniendo en cuenta el hecho de que

sustituyendo (6.29) en la fórmula (6.28), obtenemos:

, (6.30)

(6.31)

Energía de enlace promedio de núcleos de fragmentos por nucleón. Dado que, el valor de los núcleos de la mitad tabla periódica más elementos que para los núcleos pesados ​​(
), luego
Y .

2. La mayor parte de la energía de fisión se libera en forma de energía cinética de los núcleos de los fragmentos. Esto se explica por el hecho de que grandes fuerzas de repulsión de Coulomb actúan entre los núcleos formados como resultado de la fisión.

3. Los fragmentos de núcleo son - radiactivo y puede emitir neutrones. Los fragmentos de núcleo se forman a partir de núcleos pesados, por lo que
, y resultan estar "sobrecargados" por neutrones. Tales núcleos son - radiactivo. Debido a este efecto, una parte insignificante de la energía de fisión se libera en forma de energía: descomposición.

4. En el proceso de fisión, parte del exceso de neutrones puede salir volando directamente de los núcleos ( neutrones secundarios) y llevarse parte de la energía de la reacción de fisión.

condición y es condición necesaria para el proceso de fisión nuclear, pero no siempre es suficiente. Si esta condición no sólo fuera necesaria, sino también suficiente, entonces el proceso de fisión se observaría para todos los núcleos, a partir de
. Sin embargo, el proceso de fisión se descubrió solo para un pequeño número de núcleos pesados ​​(torio, protactinio, uranio). Consideremos este problema sobre la base del modelo de gota del núcleo.

Suponemos que el núcleo inicial está en estado fundamental, tiene forma esférica y está dividido en dos fragmentos. Después de la fisión, los fragmentos nucleares divergen una gran distancia y su energía se considerará igual a cero:
, donde - energía superficial y es la energía de Coulomb de los núcleos de los fragmentos. Reemplacemos mentalmente el proceso de fisión nuclear con el proceso inverso de fusión de fragmentos de núcleos. Este proceso se muestra esquemáticamente en la Fig. 6.5.

Arroz. 6.6

Cuando los fragmentos de fisión se acercan entre sí hasta que se tocan, su energía de enlace será

, (6.32)

donde
,
son los radios de los núcleos de los fragmentos. La energía del núcleo antes de la fisión (6.30) (Fig. 6.6) es menor que . Cabe esperar que esta barrera de Coulomb impida el proceso de fisión nuclear.

Supongamos que el núcleo original pasa del estado fundamental al estado excitado, por ejemplo, como resultado de la captura de un neutrón por él. Como resultado de la captura, el núcleo se deforma sin cambio de volumen y entra en movimiento oscilatorio. Son posibles dos casos dependiendo de la energía de excitación.

Si la energía de excitación es pequeña, entonces el núcleo realiza movimientos oscilatorios, en los que su forma cambia de esférica a elipsoidal y viceversa. El paso de una forma elipsoidal a una esférica se realiza bajo la acción de fuerzas tensión superficial granos

A una energía de excitación alta, el núcleo se deforma, tomando la forma de un elipsoide fuertemente alargado, entre cuyos polos actúan fuerzas repulsivas de Coulomb suficientemente grandes. Si en este caso las fuerzas de Coulomb resultan ser mayores que las fuerzas de tensión superficial, que tienden a devolver el núcleo a su forma original, entonces el núcleo continúa deformándose y finalmente se rompe en dos fragmentos. Bajo la acción de las fuerzas de tensión superficial, los fragmentos toman una forma esférica, y bajo la acción de las fuerzas de repulsión de Coulomb, los fragmentos divergen una gran distancia entre ellos.

Consideremos cómo cambia la energía del núcleo cuando se excita. La energía superficial inicialmente aumenta debido al aumento en el área superficial del núcleo. La energía de Coulomb al comienzo del proceso de fisión, debido a la pequeña deformación, prácticamente no cambia (Fig. 6.7). Con una mayor deformación, el crecimiento de la energía superficial se ralentiza y se aproxima a un valor constante igual a la suma de las energías superficiales de los núcleos de los fragmentos. La energía de Coulomb disminuye en este caso (Fig. 6.7). La curva del cambio en la energía del núcleo toma la forma que se muestra en la Fig. 6.8.

Arroz. 6.7
La diferencia entre la energía del núcleo original no excitado y la energía máxima del núcleo excitado
llamado energía de activación . La diferencia entre la energía del núcleo no excitado y la suma de las energías de los fragmentos a gran distancia entre ellos es la energía de la reacción.

Arroz. 6.8
La figura 6.8 muestra que para que el núcleo original se divida, debe recibir una energía de excitación mayor que la energía de activación. En este caso, la energía liberada durante la fisión

(6.33)

puede ser positivo.

Considere la posibilidad espontáneo Fisión nuclear. El núcleo puede desmoronarse espontáneamente del estado fundamental en fragmentos debido al efecto túnel. La probabilidad de tal efecto depende de las masas de los fragmentos resultantes. Dado que las masas de los fragmentos son grandes, la probabilidad de tal fisión es pequeña. El mecanismo de esta fisión espontánea es similar al mecanismo de descomposición. Debido a la pequeñez de la masa (partículas), la descomposición es más probable.

A medida que avanzamos hacia núcleos cada vez más pesados, la altura de la barrera de potencial disminuye y la probabilidad de fisión espontánea aumenta. Cuando la energía de activación disminuye a cero (la ausencia de una barrera potencial), la fisión espontánea se convierte en instante división. El núcleo rápidamente fisionable en la Fig. 6.8 corresponde a una línea de puntos y guiones en negrita.

6.5 Fisión de núcleos bajo la influencia de neutrones. Reacciones nucleares en cadena.

Las reacciones de fisión nuclear bajo la acción de neutrones van acompañadas de la aparición de neutrones secundarios. Estos neutrones pueden luego usarse para fisionar otros núcleos. Dado que la energía se libera durante la fisión, este proceso es de gran importancia a efectos prácticos.

Si aparecen dos neutrones en un evento de fisión nuclear, resulta posible llevar a cabo una fisión adicional de otros dos núcleos, como resultado de lo cual aparecerán cuatro neutrones, que a su vez pueden dividir cuatro núcleos con la formación de ocho neutrones. , etc Como resultado, se desarrolla un proceso similar a una avalancha: reacción nuclear en cadena. El proceso descrito anteriormente es ideal porque debido a diversas circunstancias, no todos los neutrones secundarios participan en la reacción en cadena. Los neutrones secundarios pueden abandonar la reacción debido a la dispersión inelástica, la captura radiativa y otras razones. Tal efectos secundarios afectar significativamente el curso de la reacción y puede conducir a su atenuación.

Para que la reacción proceda, es necesario que el número de neutrones en una generación determinada no sea menor que el número de neutrones en la generación anterior. La relación entre el número de neutrones de una generación dada y el número de neutrones de la generación anterior se llama factor de multiplicaciónk. Si k k=1 la reacción transcurre a potencia constante. Finalmente, en k>1 potencia de reacción aumenta.

Los parámetros de la instalación (reactor nuclear) tienen una influencia significativa en el curso de la reacción en cadena. El número de neutrones emitidos es proporcional a la superficie de la instalación, el número de neutrones producidos a su volumen. Actitud
aumenta con una disminución en el tamaño de la instalación. Esto aumenta el número de neutrones emitidos a través de la superficie de la instalación. Estos neutrones salen de un proceso de cadena nuclear. Por lo tanto, hay parámetros mínimos de la instalación, en los que el número de neutrones que salen de la instalación a través de su superficie se vuelve lo suficientemente grande, y la reacción en cadena se vuelve imposible incluso si se cumplen otras condiciones necesarias para que ocurra la reacción. Las dimensiones mínimas de la instalación en las que se hace imposible una reacción en cadena se denominan dimensiones criticas. La masa mínima de un material fisionable nuclear (por ejemplo, uranio) se llama masa critica.

La intensidad de la reacción de fisión depende de la energía de los neutrones y del tipo de núcleo fisionable. Los neutrones con energías entre 0,025 y 0,5 eV se denominan térmico, con energías de 0,5 eV a 1 keV - resonante, con energías de 1 keV a 100 keV – intermedio, finalmente, los neutrones con energías de 100 keV a 14 MeV se denominan rápido. Bajo la acción de los neutrones rápidos, casi todos los núcleos (ligeros, intermedios y pesados) se fisionan. Bajo la acción de neutrones con una energía de varios MeV, solo los núcleos pesados ​​son fisionables, a partir de aproximadamente =200. Algunos núcleos pesados ​​pueden ser fisionados por neutrones de cualquier energía, incluidos los neutrones térmicos. Estos núcleos incluyen isótopos de uranio
, un isótopo de plutonio
y algunos isótopos de elementos transuránicos. isótopo de uranio
fisionable sólo bajo la acción de neutrones rápidos. Desde el punto de vista energético, las más favorables son las reacciones de fisión de núcleos pesados ​​bajo la acción de neutrones térmicos.

La probabilidad relativa de fisión nuclear bajo la acción de neutrones con energías de 2-6 MeV es de aproximadamente 0,2, la probabilidad relativa de otros procesos (dispersión inelástica, captura radiativa) es de 0,8. Así, 4/5 de los neutrones rápidos se eliminan de la reacción. Para que ocurra una reacción en cadena, es necesario que en un solo evento de fisión surjan al menos cinco neutrones secundarios con una energía superior a 1 MeV. Dado que el número real de neutrones secundarios es de 2-3, y su energía suele ser inferior a 1 MeV, la tarea de llevar a cabo una reacción en cadena de fisión de uranio se vuelve prácticamente imposible.

Urano
fisionable bajo la acción de neutrones térmicos. Para él, la dispersión inelástica de neutrones no es fundamental. El papel de la captura resonante de neutrones lentos es comparativamente pequeño. Esto hace posible llevar a cabo una reacción en cadena en un isótopo puro.

En una mezcla natural de isótopos de uranio, el isótopo es solo 1/140 parte. Sin embargo, a pesar de que en el caso de los neutrones térmicos, sólo 1/140 de los núcleos participan en el proceso de fisión, y todos los núcleos de la mezcla de uranio participan en el proceso de captura resonante, en la región termal la probabilidad de fisión es comparable a la probabilidad de dispersión resonante. Por tanto, es posible llevar a cabo una reacción en cadena en la base sin separarla primero de la mezcla.

Para reducir la probabilidad de captura de resonancia, se puede utilizar el método enriquecimiento isótopo de uranio natural y método desacelerar neutrones rápidos en varios moderadores: sustancias cuya masa de núcleos es comparable a la masa de un neutrón. El segundo método parece ser el más eficaz. Los neutrones en este caso experimentan colisiones elásticas con núcleos moderadores, transfiriéndoles parte de su energía y convirtiéndose gradualmente en neutrones térmicos.

Cuantitativamente, el proceso de reacción se caracteriza por el factor de multiplicación

, (6.34)

donde es el factor de multiplicación de neutrones por un medio infinito (el reactor es infinitamente tallas grandes), - la probabilidad de evitar la fuga de neutrones - la probabilidad de que un neutrón no salga de los límites de un reactor real. Coeficiente

) neutrones secundarios que salen volando de los núcleos después de un largo período de tiempo, desde unas pocas fracciones de segundo hasta varios segundos. Tales neutrones se llaman demorado. Si el factor de multiplicación de neutrones resulta ser no más de 1,0064, entonces, teniendo en cuenta el hecho de que el 0,64% de los neutrones se retrasan, la reacción no puede proceder solo debido a los neutrones rápidos. Junto con los neutrones rápidos, es necesario tener en cuenta los neutrones retardados. La contabilización de los neutrones retardados para el tiempo de vida promedio de una generación da
desde. Tomando valores
Y \u003d 0.1, encontramos que en 1 s el número de neutrones aumenta solo 1.05 veces. Un aumento tan lento de la intensidad de la reacción hace que sea relativamente fácil de controlar.

6.6 Reacciones termonucleares. Fusión termonuclear controlada.

Junto a las reacciones de fisión de núcleos pesados, en las que se libera energía, existen reacciones de fusión de núcleos ligeros. Al igual que las reacciones de fisión, vienen con la liberación de energía:

, (6.39)

donde está el número de masa total de núcleos fusionados, es el valor medio de su energía específica de enlace, es la energía específica de enlace del núcleo más pesado. La energía liberada por nucleón durante la fusión nuclear suele exceder la energía de fisión. Un ejemplo de una reacción de síntesis es la reacción

, (6.40)

En este caso, la reacción requiere una energía suficientemente grande de las partículas en colisión para superar la barrera de Coulomb (alrededor de 0,1 MeV).

La tarea principal de la fusión termonuclear es el problema de cómo hacer que tales reacciones sean autosuficientes. En primer lugar, es necesario que los núcleos en colisión tengan una gran energía cinética. Esto requiere calentar la mezcla de núcleos reaccionantes a temperaturas del orden de cientos de millones de grados. A temperaturas dadas, la materia es un plasma completamente ionizado. Esto da lugar al siguiente problema de confinar un plasma de alta temperatura de larga duración durante un tiempo suficientemente largo. El primer problema se resuelve en base a la obtención de núcleos de alta energía debido al calor de la propia reacción. Porque alta temperatura el plasma debe estar aislado de las paredes del reactor. Para llevar a cabo el confinamiento del plasma se utiliza el método de su aislamiento térmico por campos magnéticos, en particular, la idea de utilizar efecto pellizco es la compresión transversal del plasma al pasar a través de él corriente eléctrica. En tercer lugar, el plasma debe tener una alta densidad. Esto se debe al hecho de que los electrones de plasma rápidos pierden energía como resultado de la radiación de sincrotrón y bremsstrahlung. Para compensar estas pérdidas y obtener una ganancia de energía, es necesario crear plasma de alta densidad.

Para que la liberación de energía de la reacción de fusión termonuclear supere el consumo de energía, es necesario realizar criterio de Lawson. El criterio de Lawson es una combinación específica del parámetro de retención
, donde es el número de núcleos en 1 cm 3 , es el tiempo de confinamiento del plasma en segundos y las temperaturas . Para plasma de deuterio puro
Y
.

Hay varias formas de implementar el criterio de Lawson. El primer problema de obtención de un plasma a alta temperatura se puede resolver en base a los siguientes mecanismos: 1) Hacer pasar una corriente eléctrica a través del plasma. El calentamiento se produce debido al calor Joule. Este mecanismo de calentamiento se utiliza en la etapa inicial hasta que el plasma se calienta a 10 7 grados. 2) Compresión del plasma por fuerzas electrodinámicas cuando lo atraviesa una corriente. En este caso, se produce un calentamiento adiabático del plasma debido a una compresión rápida (efecto pellizco). 3) Calentamiento de plasma por alta frecuencia campo electromagnetico. 4) Calentamiento intenso radiación láser y etc.

El segundo problema es el problema del confinamiento del plasma. Consideremos el método más prometedor de fusión termonuclear controlada: el método de confinamiento de plasma magnético. Componentes El plasma son iones y electrones que llevan una carga eléctrica. Plasma colocado en un campo magnético. las partículas de plasma cargadas se moverán a lo largo de líneas espirales que están "enrolladas" en las líneas del campo magnético. Cuando se alcanza un valor de corriente determinado, se hacen posibles tales fuerzas de compresión del plasma que son suficientes para superar la presión del plasma y alejarla de las paredes de la cámara. Para el confinamiento de plasma, por lo tanto, es necesario que la condición

. (6.41)

Esta condición es alcanzable para
cm -3 .

Inicialmente, para obtener plasma de alta temperatura se utilizaba la descarga de una batería de capacitores de alta capacitancia. La corriente de descarga genera un campo magnético que retiene y calienta el plasma debido a su compresión. Aparece un “cordón” de plasma, que es sostenido por la corriente que fluye a través de él (Fig. 6.9).


Vacío

Vacío

Arroz. 6.9
Utilizando el método de compresión de plasma por fuerzas electrodinámicas, es posible obtener un plasma con una temperatura
y densidad 10 12 -10 13 cm -3 . Sin embargo, aquí surge el problema de la inestabilidad del plasma. El "cordón" de plasma inicialmente formado es extremadamente inestable a sus deformaciones (constricciones y dobleces). Habiendo surgido, tales deformaciones crecen exponencialmente bajo la acción de fuerzas internas y en poco tiempo (del orden de microsegundos) ponen el plasma en contacto con las paredes de la cámara. En tan poco tiempo, no se libera suficiente energía para mantener la temperatura y es imposible un proceso autosuficiente. Se utilizaron varios diseños de plantas para resolver este problema. En particular, cámaras de trabajo de forma toroidal con combinación campos magnéticos. Tales instalaciones se llaman tokamaks. En instalaciones de este tipo, es posible obtener plasma con una temperatura de 10 7 grados, una densidad de 10 10 cm -3 y mantenerlo durante varios cientos de fracciones de segundo. Estos parámetros están cerca de los parámetros de Lawson.

Actualmente, las instalaciones tipo tokamak son las más prometedoras para la fusión termonuclear controlada.

La fusión termonuclear descontrolada se lleva a cabo en el Sol y puede llevarse a cabo en forma de explosión bomba de hidrogeno(reacción termonuclear autosostenida no estacionaria iniciada por una explosión atómica).

Las reacciones nucleares son las transformaciones de los núcleos atómicos durante la interacción con partículas elementales (incluidos los cuantos y) o entre sí. El tipo más común de reacción nuclear es la reacción, escrita simbólicamente de la siguiente manera:

donde X e Y son los núcleos inicial y final, pero Y B- bombardeo y emisión (o emitido) en una reacción nuclear de partículas.

En toda reacción nuclear se cumplen las leyes de conservación de la carga y los números másicos: suma de cargos (masivo) el número de núcleos y partículas que entran en una reacción nuclear es igual a la suma de los números de carga (masa) de los productos finales (núcleos y partículas) de la reacción. También realizado Leyes de conservación de la energía, cantidad de movimiento. Y momento de impulso.

A diferencia de la desintegración radiactiva, que siempre procede con la liberación de energía, las reacciones nucleares pueden ser exotérmicas (con liberación de energía) o endotérmicas (con absorción de energía).

La suposición de N. Bohr (1936) de que las reacciones nucleares se desarrollan en dos etapas de acuerdo con el siguiente esquema desempeñó un papel importante en la explicación del mecanismo de muchas reacciones nucleares:

La primera etapa es la captura de la partícula a por el núcleo X, acercándose a ella a una distancia de acción de las fuerzas nucleares (aproximadamente 2 10 15 m), y la formación de un núcleo intermedio C, denominado compuesto (o compuesto-núcleo) . La energía de una partícula que ha volado hacia el núcleo se distribuye rápidamente entre los nucleones del núcleo compuesto, por lo que se encuentra en un estado excitado. En la colisión de nucleones de un núcleo compuesto, uno de los nucleones (o una combinación de ellos, por ejemplo, un deuterio - el núcleo de un isótopo pesado de hidrógeno - deuterio, que contiene un protón y un neutrón) o una partícula cx puede reciben energía suficiente para escapar del núcleo. Como resultado, es posible la segunda etapa de la reacción nuclear: la descomposición del núcleo compuesto en el núcleo Y y la partícula B.

Clasificación de las reacciones nucleares

Según el tipo de partículas que intervienen en las reacciones:

• reacciones bajo la acción de neutrones;
• reacciones bajo la acción de partículas cargadas (por ejemplo, protones, (partículas X).

Según la energía de las partículas que provocan la reacción:

• reacciones a bajas energías (del orden de eV), que ocurren principalmente con la participación de neutrones;
• reacciones a energías medias (varios MeV) que involucran cuantos y partículas cargadas;
• reacciones a altas energías (cientos y miles de MeV), dando lugar al nacimiento de partículas elementales ausentes en estado libre y de gran importancia para su estudio.

Según el tipo de núcleos que intervienen en las reacciones:

• reacciones en núcleos ligeros (Un 50);
• reacciones en núcleos medianos (50 A
• reacciones en núcleos pesados (Un > 150).

Por la naturaleza de las transformaciones nucleares en curso:

• reacciones con emisión de neutrones;
• Reacciones con emisión de partículas cargadas. La primera reacción nuclear (Rutherford; 1919)

El estudio de las reacciones nucleares desempeñó un papel importante en el desarrollo de ideas sobre la estructura de los núcleos, lo que proporcionó amplia información sobre los espines y las paridades de los estados excitados de los núcleos y contribuyó al desarrollo del modelo de capas. El estudio de las reacciones que involucran el intercambio de varios nucleones entre núcleos en colisión hizo posible estudiar la dinámica nuclear en un estado con grandes momentos angulares. Como resultado, se descubrieron largas bandas de rotación, que sirvieron como uno de los cimientos para crear un modelo generalizado del núcleo. Cuando chocan núcleos pesados, se forman núcleos que no existen en la naturaleza. La síntesis de elementos transuránicos se basa en gran medida en la física de la interacción de los núcleos pesados. En reacciones con iones pesados, se forman núcleos que están lejos de la banda de estabilidad β. Los núcleos alejados de la banda de estabilidad β difieren de los núcleos estables en una relación diferente entre las interacciones de Coulomb y nucleares, la relación entre el número de protones y el número de neutrones, una diferencia significativa en las energías de enlace de protones y neutrones, que se manifiesta en nuevos tipos de desintegración radiactiva: radiactividad de protones y neutrones y una serie de otras características específicas de los núcleos atómicos.
Al analizar las reacciones nucleares, es necesario tener en cuenta la naturaleza ondulatoria de las partículas que interactúan con los núcleos. La naturaleza ondulatoria del proceso de interacción de partículas con núcleos se manifiesta claramente en la dispersión elástica. Así, para nucleones con una energía de 10 MeV, la longitud de onda de De Broglie reducida es menor que el radio del núcleo, y surge un patrón característico de máximos y mínimos de difracción durante la dispersión de un nucleón. Para nucleones con una energía de 0,1 MeV, la longitud de onda es mayor que el radio del núcleo y no hay difracción. Para neutrones con energía<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Las reacciones nucleares son un método eficaz para estudiar la dinámica nuclear. Las reacciones nucleares ocurren cuando dos partículas interactúan. En una reacción nuclear, hay un intercambio activo de energía y cantidad de movimiento entre las partículas, lo que resulta en la formación de una o más partículas que salen volando de la región de interacción. Como resultado de una reacción nuclear, ocurre un proceso complejo de reordenamiento del núcleo atómico. Al igual que en la descripción de la estructura del núcleo, en la descripción de las reacciones nucleares es prácticamente imposible obtener una solución exacta del problema. Y así como la estructura del núcleo se describe mediante varios modelos nucleares, el curso de una reacción nuclear se describe mediante varios mecanismos de reacción. El mecanismo de una reacción nuclear depende de varios factores: el tipo de partícula incidente, el tipo de núcleo objetivo, la energía de la partícula incidente y una serie de otros factores. Uno de los casos límite de una reacción nuclear es reacción nuclear directa. En este caso, la partícula incidente transfiere energía a uno o dos nucleones del núcleo, y salen del núcleo sin interactuar con otros nucleones del núcleo. El tiempo característico de una reacción nuclear directa es de 10 -23 s. Las reacciones nucleares directas tienen lugar en todos los núcleos a cualquier energía de la partícula incidente. Las reacciones nucleares directas se utilizan para estudiar los estados de partículas individuales de los núcleos atómicos, porque los productos de la reacción llevan información sobre la posición de los niveles a partir de los cuales se elimina el nucleón. Usando reacciones nucleares directas, se obtuvo información detallada sobre las energías y la ocupación de los estados de núcleos de partículas individuales, que formaron la base del modelo de capa del núcleo. El otro caso límite son las reacciones que proceden a través de formación de núcleo compuesto.

La descripción del mecanismo de las reacciones nucleares se dio en los trabajos de W. Weisskopf.

W. Weiskopf: “¿Qué sucede cuando una partícula ingresa a un núcleo y choca con uno de los constituyentes nucleares? La figura ilustra algunas de estas posibilidades.
1) La partícula que cae pierde parte de su energía, elevando la partícula nuclear a un estado superior. Este será el resultado de la dispersión inelástica si la partícula incidente queda con suficiente energía para abandonar el núcleo nuevamente. Este proceso se denomina dispersión inelástica directa porque implica la dispersión de una sola parte constituyente del núcleo.
2) La partícula que cae transfiere energía al movimiento colectivo, como se muestra simbólicamente en el segundo diagrama de la figura, esta también es una interacción directa.
3) En el tercer esquema de la figura, la energía transferida es lo suficientemente grande como para sacar el nucleón del objetivo. Este proceso también contribuye a la reacción nuclear directa. En principio, no difiere de 1), corresponde a la "reacción de intercambio".
4) Una partícula que ingresa puede perder tanta energía que permanece atrapada dentro del núcleo, la energía transferida puede ser absorbida por un nucleón bajo de tal manera que no puede salir del núcleo. Entonces obtenemos un núcleo excitado que no puede emitir un nucleón. Este estado conduce necesariamente a más excitaciones de nucleones por colisiones internas, en las que la energía por partícula excitada disminuye en promedio, de modo que en la mayoría de los casos el nucleón no puede abandonar el núcleo. En consecuencia, se alcanzará un estado con una vida útil muy larga, que sólo puede decaer si una partícula, en colisiones dentro del núcleo, adquiere accidentalmente suficiente energía para salir del núcleo. Llamamos a esta situación la formación de un núcleo compuesto. La energía también se puede perder por radiación, después de lo cual el escape de una partícula se vuelve energéticamente imposible: el nucleón incidente experimenta captura radiativa.
5) La formación de un núcleo compuesto puede realizarse en dos o más pasos, si después de un proceso de tipo 1) o 2) el nucleón incidente en su camino choca con otro nucleón y lo excita de tal manera que es imposible cualquier nucleón para salir del núcleo.

Por primera vez, N. Bohr expresó la idea de una reacción nuclear que se desarrolla a través de la etapa de un núcleo compuesto. Según el modelo de núcleo compuesto, una partícula incidente, después de interactuar con uno o dos nucleones del núcleo, transfiere la mayor parte de su energía al núcleo y es capturada por el núcleo. El tiempo de vida de un núcleo compuesto es mucho más largo que el tiempo de vuelo de una partícula incidente a través del núcleo. La energía introducida por la partícula incidente en el núcleo se redistribuye entre los nucleones del núcleo hasta que una parte significativa se concentra en una partícula y luego sale volando del núcleo. La formación de un estado excitado de larga duración puede conducir a su fisión como resultado de la deformación.

N. Bor: “El fenómeno de la captura de neutrones nos lleva a suponer que la colisión entre un neutrón rápido y un núcleo pesado debería conducir, en primer lugar, a la formación de un sistema complejo caracterizado por una notable estabilidad. El posible decaimiento posterior de este sistema intermedio con la eyección de una partícula material o la transición al estado final con la emisión de un cuanto de energía radiante deben ser considerados como procesos independientes que no tienen conexión directa con la primera fase de la colisión. Nos encontramos aquí con una diferencia esencial, hasta ahora desconocida, entre las reacciones nucleares reales, las colisiones ordinarias de partículas rápidas y sistemas atómicos, colisiones que hasta ahora han sido nuestra principal fuente de información sobre la estructura del átomo. De hecho, la posibilidad de contar partículas atómicas individuales a través de tales colisiones y estudiar sus propiedades se debe, en primer lugar, a la "apertura" de los sistemas bajo consideración, lo que hace muy improbable el intercambio de energía entre las partículas constituyentes individuales durante el impacto. Sin embargo, debido al apretado empaquetamiento de las partículas en el núcleo, debemos estar preparados para el hecho de que es este intercambio de energía el que desempeña el papel principal en las reacciones nucleares típicas.

Clasificación de las reacciones nucleares. Las reacciones nucleares son un medio eficaz para estudiar la estructura de los núcleos atómicos. Si la longitud de onda de la partícula incidente es mayor que el tamaño del núcleo, en tales experimentos se obtiene información sobre el núcleo como un todo. Si el tamaño del núcleo es más pequeño, la información sobre la distribución de la densidad de la materia nuclear, la estructura de la superficie del núcleo, la correlación entre los nucleones en el núcleo y la distribución de los nucleones en las capas nucleares se extrae del secciones transversales de reacción.

• La excitación de Coulomb de los núcleos bajo la acción de partículas cargadas relativamente grandes (protones, partículas α e iones pesados ​​de carbono y nitrógeno) se utiliza para estudiar los niveles rotacionales bajos de los núcleos pesados.
• Las reacciones con iones pesados ​​sobre núcleos pesados, que conducen a la fusión de núcleos en colisión, son el principal método para obtener núcleos atómicos superpesados.
• Reacciones de fusión de núcleos ligeros a energías de colisión relativamente bajas (las llamadas reacciones termonucleares). Estas reacciones ocurren debido al efecto túnel de la mecánica cuántica a través de la barrera de Coulomb. Las reacciones termonucleares tienen lugar dentro de las estrellas a temperaturas de 10 7 -10 10 K y son la principal fuente de energía estelar.
• Las reacciones fotonucleares y electronucleares ocurren cuando γ-quanta y electrones con energía E > 10 MeV chocan con núcleos.
• Reacciones de fisión de núcleos pesados, acompañadas de un reordenamiento profundo del núcleo.
• Las reacciones en haces de núcleos radiactivos abren posibilidades para obtener y estudiar núcleos con una relación inusual del número de protones y neutrones que se encuentran lejos de la línea de estabilidad.

La clasificación de las reacciones nucleares se suele realizar según el tipo y la energía de la partícula incidente, el tipo de núcleos diana y la energía de la partícula incidente.

Reacciones en neutrones lentos

“1934 Una mañana, Bruno Pontecorvo y Eduardo Amaldi estaban probando la radiactividad de ciertos metales. A estas muestras se les dio forma de pequeños cilindros huecos del mismo tamaño, dentro de los cuales se podía colocar una fuente de neutrones. Para irradiar dicho cilindro, se insertó una fuente de neutrones en él y luego todo se colocó en una caja de plomo. En esta mañana trascendental, Amaldi y Pontecorvo estaban experimentando con la plata. Y de repente Pontecorvo notó que algo extraño sucedía con el cilindro de plata: su actividad no siempre es la misma, cambia según donde se coloque, en el medio o en la esquina de la caja de plomo. Completamente desconcertados, Amaldi y Pontecorvo fueron a informar de este milagro a Fermi y Razetti. Franke se inclinaba a atribuir estas rarezas a algún error estadístico o mediciones inexactas. Y Enrico, que creía que todo fenómeno requería verificación, sugirió que intentaran irradiar este cilindro de plata fuera de la caja de plomo y ver qué pasaba. Y luego fueron milagros absolutamente increíbles. Resultó que los objetos en las proximidades del cilindro pueden influir en su actividad. Si el cilindro se irradiaba mientras estaba sobre una mesa de madera, su actividad era mayor que cuando se colocaba sobre una placa de metal. Ahora todo el grupo se interesó en esto y todos participaron en los experimentos. Colocaron la fuente de neutrones fuera del cilindro y colocaron varios objetos entre ella y el cilindro. La placa de plomo aumentó ligeramente la actividad. Dirigir−sustancia pesada. "¡Vamos, probemos el fácil ahora!−sugerido por Fermi.−Digamos parafina. En la mañana del 22 de octubre se realizó un experimento con parafina.
Tomaron un gran trozo de parafina, ahuecaron un agujero en él y colocaron una fuente de neutrones en su interior, irradiaron un cilindro de plata y lo llevaron a un contador Geiger. El mostrador, como si hubiera salido de la cadena, se partió. Todo el edificio tronaba con exclamaciones: “¡Impensable! ¡No imaginable! ¡Magia negra!" La parafina aumentó cien veces la radiactividad artificial de la plata.
A mediodía, un grupo de físicos se dispersó a regañadientes para un descanso previsto para el desayuno, que solía durar dos horas para ellos... Enrico aprovechó su soledad, y cuando volvió al laboratorio, ya tenía preparada una teoría que explicaba el extraño efecto de la parafina.

En general, la interacción nuclear se puede escribir de la forma:

El tipo más común de reacción nuclear es la interacción de una partícula ligera a con núcleo X, resultando en la formación de una partícula B y núcleo Y. Esto se escribe simbólicamente así:

Papel de las partículas a Y B la mayoría de las veces realiza un neutrón norte, protón pags, deuterón D, α-partícula y γ-quantum.

El proceso (4.2) por lo general ocurre de manera ambigua, ya que la reacción puede proceder de varias formas que compiten entre sí, es decir, Las partículas producidas como resultado de una reacción nuclear (4.2) pueden ser diferentes:

.

Las diferentes posibilidades de que se produzca una reacción nuclear en la segunda etapa a veces se denominan canales de reacción. La etapa inicial de la reacción se denomina canal de entrada.

Los dos últimos canales de reacción se refieren a casos de inelástica ( un 1 + a) y elástico ( A + a) de la dispersión nuclear. Estos casos especiales de interacción nuclear difieren de otros en que los productos de reacción coinciden con las partículas que entran en la reacción, y durante la dispersión elástica no solo se conserva el tipo de núcleo, sino también su estado interno, y durante la dispersión inelástica el interno cambia el estado del núcleo (el núcleo pasa a un estado excitado).

Figura 4.1. Dependencia cualitativa probabilidad de desintegración nuclear de la energía.

Al estudiar una reacción nuclear, es de interés identificar los canales de la reacción, la probabilidad comparativa de su flujo a través de diferentes canales a diferentes energías de las partículas incidentes. Los núcleos pueden estar en diferentes estados de energía. El estado de un núcleo estable o radiactivo que corresponde a una energía mínima (masa) E0 llamado principal. Se sabe por la mecánica cuántica que entre la energía de un estado y su tiempo de vida Relación de Heisenberg: ∆E = ћ / ∆t,

Los núcleos excitados experimentan varios tipos de transiciones de energía. La energía de excitación puede liberarse a través de varios canales (transfiriendo los núcleos al estado fundamental): emisión de γ-quanta, fisión nuclear, etc. Por esta razón, se introduce el concepto de ancho de nivel parcial yo. El ancho parcial del nivel de resonancia es la probabilidad de decaimiento a lo largo I-th canal. Entonces la probabilidad de decaimiento por unidad de tiempo ω se puede representar como:

.

También es de gran interés la energía y la distribución angular de las partículas resultantes, y su estado interno (energía de excitación, espín, paridad, espín isotópico).

Se puede obtener mucha información sobre las reacciones nucleares como resultado de la aplicación de las leyes de conservación.

Se puede ver información más detallada sobre esta sección.