Classificazione delle reazioni nucleari. Reazioni nucleari e loro classificazioni

Ci sono varie interpretazioni del termine reazioni nucleari. In senso lato, una reazione nucleare è qualsiasi processo che inizia con una collisione di due, raramente diverse, particelle (semplici o complesse) e procede, di regola, con la partecipazione di interazioni forti. Questa definizione è soddisfatta anche dalle reazioni nucleari in in senso stretto Questa parola, che si riferisce a processi che iniziano con la collisione di una particella semplice o complessa (nucleone, a-particella, y-quantum) con un nucleo. Si noti che la definizione di reazione soddisfa come caso speciale, e lo scattering di particelle.1 Di seguito sono riportati due esempi di reazioni nucleari.

Storicamente la prima reazione nucleare (Rutherford, 1919 - scoperta del protone):

Scoperta del neutrone (Chadwick, 1932):

Lo studio delle reazioni nucleari è necessario per ottenere informazioni sulle proprietà di nuovi nuclei e particelle elementari, stati eccitati dei nuclei, ecc. Non va dimenticato che nel microcosmo, per la presenza di leggi quantistiche, è impossibile “guardare” una particella o un nucleo. Pertanto, il metodo principale per studiare i micro-oggetti è lo studio delle loro collisioni, cioè delle reazioni nucleari. Da un punto di vista applicato, le reazioni nucleari sono necessarie per l'uso dell'energia nucleare, nonché per la produzione di radionuclidi artificiali.

Le reazioni nucleari possono verificarsi naturalmente (ad esempio, all'interno delle stelle o all'interno Raggi cosmici). Ma il loro studio viene solitamente condotto in condizioni di laboratorio, su allestimenti sperimentali. Per effettuare reazioni nucleari, è necessario avvicinare particelle o nuclei ai nuclei fino a distanze dell'ordine del raggio d'azione delle forze nucleari. L'avvicinamento delle particelle cariche ai nuclei è impedito dalla barriera di Coulomb. Pertanto, per eseguire reazioni nucleari su particelle cariche, usano acceleratori, in cui le particelle, accelerando in un campo elettrico, acquisiscono l'energia necessaria per superare la barriera. A volte questa energia è paragonabile all'energia di riposo della particella o addirittura la supera: in questo caso il moto è descritto dalle leggi della meccanica relativistica. Negli acceleratori convenzionali ( acceleratore lineare, ciclotrone ecc.) la più pesante delle due particelle in collisione, di regola, è a riposo, mentre quella più leggera è urtata. Si chiama una particella a riposo obiettivo (inglese - obbiettivo). Sovrapposizione, o bombardando, le particelle in lingua russa non hanno ricevuto un nome speciale (in lingua inglese si usa il termine proiettile). Negli acceleratori di raggio in collisione (collider) entrambe le particelle in collisione si muovono, in modo che la separazione in un bersaglio e in un raggio di particelle incidenti diventi priva di significato.

L'energia di una particella carica in una reazione può essere anche inferiore all'altezza della barriera di Coulomb, come avvenne negli esperimenti classici di J. Cockcroft e E. Walton, che nel 1932 divisero artificialmente i nuclei di litio bombardandoli con accelerati corre. Nei loro esperimenti, la penetrazione del protone nel nucleo bersaglio avveniva scavalcando la barriera del potenziale di Coulomb (vedi Lezione 7). La probabilità di un tale processo è, ovviamente, molto bassa a causa della scarsa trasparenza della barriera.

Esistono diversi modi per registrare simbolicamente le reazioni nucleari, due delle quali sono riportate di seguito:

Un insieme di particelle in collisione in un certo stato quantistico (ad esempio, R e Li) sono chiamati canale di ingresso reazione nucleare. Le collisioni delle stesse particelle (canale di ingresso fisso) nel caso generale possono portare a prodotti di reazione diversi. Pertanto, nelle collisioni di protoni con Li, reazioni Li (R, 2a), Li (R,P) Be, 7 Li(/;, df Essere, ecc. In questo caso si parla di processi concorrenti, o di un insieme canali di uscita.

Le reazioni nucleari sono spesso scritte in una forma ancora più breve: (a, b) - quelli. indicando solo particelle leggere e non indicando i nuclei coinvolti nella reazione. Ad esempio, la voce (/>, P) significa che un protone elimina un neutrone da un nucleo, ( P, y) - assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo con emissione di un quanto y, ecc.

Classificazione delle reazioni nucleari può essere effettuato per i seguenti motivi:

I. Per tipo di processo in corso

• 1) cattura delle radiazioni: (l, y),(R,y)
• 2) effetto fotoelettrico nucleare: (y, l), (y, R)
• 3) reazioni nucleone-nucleone:
  • a) eliminando un nucleone o un gruppo di nucleoni (n, R),(R, a), ecc.
  • b) "evaporazione" di nucleoni (/?, 2n), (R, 2R) eccetera.
  • c) ripartizione ( D, /?), (d, p) e ritiro (p, d), (l, D)
• 4) divisione: (l, D (r, D O /, U)
• 5) sintesi (fusione)
• 6) dispersione anelastica: (l, l ')
• 7) dispersione elastica: (l, l)

//. Sulla base del rilascio o dell'assorbimento di energia

• 1) reazioni esotermiche
• 2) reazioni endotermiche

III. Dall'energia delle particelle che bombardano

• 1) basse energie (
• 2) energie medie (1 keV-10 MeV)
• 3) alte energie (> 10 MeV)

IV. Dalla massa dei nuclei bombardati

• 1) su nuclei leggeri (A 50)
• 2) su nuclei di media massa (50 A
• 3) su nuclei pesanti (MA > 100)

V Secondo il tipo di particelle bombardanti

• 1) sulle particelle cariche (/;, s!,a e ioni più pesanti)
• 2) sui neutroni
• 3) sui fotoni (reazioni fotonucleari)

• Durante lo scattering elastico, le particelle non subiscono alcun cambiamento interno e non compaiono nuove particelle. C'è solo una ridistribuzione di energia e slancio tra di loro. Nello scattering anelastico, insieme a tale scambio, c'è un cambiamento nello stato interno di almeno una delle particelle.
• Per gli acceleratori di particelle, vedere la Lezione 15.
• d è il simbolo accettato per il deuterone, il nucleo dell'atomo di deuterio.

6. REAZIONI NUCLEARI

6.1 Classificazione delle reazioni nucleari e loro leggi generali.

reazione nucleare chiamato il processo di forte interazione del nucleo nucleare con altri nuclei o particelle elementari, a seguito del quale avviene la trasformazione del nucleo.

In generale, una reazione nucleare è scritta nella forma seguente:

dove attraverso
sono indicati i nuclei atomici e le particelle elementari o i nuclei leggeri (ad esempio il nucleo dell'elio) sono indicati in lettere minuscole. Il processo (6.1) può procedere, in generale, in vari modi concorrenti:

. (6.2)

Primo stadio si chiama reazione nucleare canale di ingresso. Viene chiamato il risultato di una reazione nucleare canale di uscita. Tra i canali di uscita ci sono canali di anelastico
ed elastico
dispersione. In questi processi, i prodotti di reazione coincidono con le particelle che entrano nella reazione. Nel processo di dispersione anelastica, lo stato interno del nucleo cambia.

Le reazioni nucleari possono essere classificate secondo vari criteri. 1. In base al tipo di particelle incidenti sul nucleo, le reazioni nucleari si suddividono in: reazioni che si verificano sotto l'azione dei neutroni, particelle cariche e - quantistici. Le reazioni sotto l'influenza di -quanta non sono dovute all'interazione nucleare, ma all'interazione elettromagnetica. Poiché tali interazioni si verificano a piccole distanze e portano alla trasformazione del nucleo, vengono solitamente chiamate reazioni nucleari. 2. A seconda del meccanismo di insorgenza, le reazioni nucleari sono suddivise in: reazioni che si verificano con la formazione di un nucleo intermedio e reazioni di interazione diretta. 3. Da un punto di vista energetico, le reazioni nucleari si dividono in reazioni che procedono con il rilascio di energia ( esotermico) e con assorbimento di energia ( Endotermico).

Il corso delle reazioni nucleari è accompagnato da una serie di leggi di conservazione. In tutte le reazioni nucleari, carica elettrica: la carica elettrica totale delle particelle che entrano nella reazione è uguale alla carica elettrica totale delle particelle che si formano nella reazione. Se una reazione nucleare procede senza la formazione di antiparticelle, si conserva il numero totale di nucleoni. Vengono attribuiti nucleoni (protone, neutrone). carica barionica uguale a +1. Oltre ai nucleoni, anche altre particelle pesanti hanno una carica barionica - barioni. Per antinucleoni e antibarioni si assume che la carica barionica sia meno uno. Secondo questa definizione Tutte le reazioni nucleari conservano la carica barionica. Ovviamente la carica barionica del nucleo coincide con il suo numero di massa.

In assenza di interazioni deboli, vale a dire, tali processi includono reazioni nucleari controllate da interazioni nucleari ed elettromagnetiche, la legge di conservazione della parità deve essere soddisfatta. Per una reazione nucleare della forma (6.1), la legge di conservazione della parità si scrive come

Qui
sono le parità interne delle particelle,
sono i momenti orbitali delle corrispondenti coppie di particelle.

Nelle reazioni nucleari, a causa delle sole interazioni forti, l'isospin si conserva: l'isospin totale delle particelle che entrano nella reazione è uguale all'isospin totale delle particelle delle particelle risultanti. Nelle reazioni che coinvolgono l'interazione elettromagnetica, la proiezione dell'isospin viene preservata.

Le leggi di conservazione impongono determinati divieti sul corso delle reazioni nucleari e consentono di determinare le possibilità del corso delle reazioni nucleari.

6.2 Leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto nelle reazioni nucleari.

Si consideri una reazione del tipo (6.1). La legge di conservazione per questo tipo di reazione ha la seguente forma:

,
. (6.4)

Qui
- energie di riposo,
sono le energie cinetiche rispettivamente delle particelle iniziale e finale.

La legge di conservazione della quantità di moto ha la forma:

. (6.5)

Nel sistema di riferimento in cui il nucleo bersaglio è a riposo ( sistema di laboratorio- LS), dovrebbe essere messo
. Nel sistema del centro di inerzia (SCI) si dovrebbe prendere
.

Energia di reazione si chiama quantità

Se
(viene rilasciata energia), viene chiamata la reazione esoenergetico(esotermico). Se
(l'energia viene assorbita), viene chiamata la reazione endoenergetico(Endotermico). Per dispersione elastica
.

Le reazioni esotermiche e le reazioni di scattering elastico possono procedere a qualsiasi energia cinetica di una particella incidente su un nucleo (per una particella carica, questa energia deve superare la barriera di Coulomb del nucleo). Le reazioni endotermiche sono possibili solo quando la particella incidente ha un'energia sufficientemente elevata. Questa energia deve superare energia di soglia di reazione. L'energia di reazione di soglia è l'energia cinetica minima delle particelle in collisione (l'energia cinetica minima di una particella incidente, se il nucleo bersaglio è a riposo), alla quale la reazione diventa possibile. In questo caso, l'energia cinetica è importante. moto relativo particelle. Spieghiamo questo. Lascia che due particelle si muovano l'una rispetto all'altra. Nella LS, dove una delle particelle (ad esempio la seconda) è a riposo,
. In questo caso, il centro di inerzia del sistema si sposta nella LS e il sistema ha energia cinetica:
- nel caso non relativistico, che non gioca un ruolo per la reazione. Perché avvenga una reazione endotermica, è necessario che l'energia cinetica del moto relativo delle particelle sia almeno . Quelli. l'energia di soglia è determinata dall'uguaglianza:

. (6.7)

Per definizione, l'energia di soglia è:

. (6.8)

Dalle formule (6.7) e (6.8) troviamo:

. (6.9)

Dalla formula (6.9) segue che l'energia di soglia supera l'energia di reazione. Scegliendo il nucleo bersaglio come particella a riposo, otteniamo infine:

. (6.10)

Si consideri una generalizzazione della formula (6.10) al caso relativistico. In questo caso, utilizzeremo un sistema di unità in cui
. Secondo la meccanica relativistica, quantità di moto ed energia formano un 4-momento
. Il quadrato della quantità di moto quadridimensionale è un invariante ed è uguale al quadrato della massa della particella:

Per un sistema di particelle non interagenti, l'energia e la quantità di moto di ciascuna particella vengono conservate. Pertanto, il 4-momentum di ciascuna particella viene conservato. Il totale 4-momentum del sistema in questo caso è:

Poiché vengono conservati i 4 momenti delle singole particelle, viene conservato anche il 4 momento totale del sistema. In accordo con la teoria relativistica, introduciamo il quadrato della massa del sistema, che è uguale al quadrato del suo 4-momento:

. (6.13)

L'ultima formula è valida sia per un sistema di particelle non interagenti che per un sistema di particelle interagenti. Tuttavia, per un sistema di particelle interagenti, non è più possibile calcolare la quantità di moto 4 usando le formule (6.12).

In fisica nucleare, quando si considerano le reazioni nucleari, si considera che le particelle che entrano nella reazione sono a grandi distanze l'una dall'altra prima dell'interazione e possono essere considerate libere. Dopo l'interazione, le particelle formate nella reazione si disperdono su lunghe distanze e possono essere considerate libere. La legge di conservazione del 4-momentum afferma che il 4-momentum del sistema prima dell'interazione è uguale al 4-momentum del sistema dopo l'interazione, cioè

. (6.14)

Dalle formule (6.14) e (6.13) segue che la massa del sistema di particelle non cambia:

. (6.15)

Lascia che il nucleo
riposa in LS, una particella di massa colpisce il cuore. Quadrato 4 - la quantità di moto del sistema prima dell'interazione delle particelle:

Calcoliamo ora il 4-momento del sistema di particelle dopo l'interazione nell'SDH e utilizziamo la proprietà di invarianza del 4-momento al quadrato. L'energia di soglia corrisponde alla situazione in cui le particelle formate nell'SDH sono a riposo. Quindi, nell'SDH:

La quantità di moto della particella incidente può essere espressa in termini di energia:

L'energia di reazione secondo la prima uguaglianza della formula (6.6):

Dalle ultime due formule segue:

. (6.20)

La formula (6.20) è una generalizzazione relativistica della formula (6.10), infatti nel caso non relativistico l'energia è molto meno energia resto (massa) di ciascuna delle particelle coinvolte nella reazione. In questo caso si può trascurare l'ultimo termine tra parentesi della formula (6.20) e si passa alla formula (6.10). Nel caso non relativistico, l'energia di soglia è proporzionale all'energia di reazione. Nel caso relativistico, dipende quadraticamente dall'energia di reazione e può superarla significativamente.

La formula (6.18) può essere generalizzata al caso in cui, nel processo di interazione di due particelle iniziali, particelle:

. (6.21)

Considera la reazione

in cui si forma una coppia neutrone-antineneutrone. Considerando che la massa di ciascuna particella è uguale alla massa del nucleone
, secondo la formula (6.21) troviamo l'energia di soglia:
5,8 GeV. Questa energia è tre volte l'energia di reazione
.

Come esempio di utilizzo della formula (6.10), presentiamo la reazione:

.

Dalla prima uguaglianza della formula (6.6) troviamo l'energia di reazione:
MeV. Inoltre, usando la formula (6.10), troviamo la soglia di reazione:

MeV.

6.3 Legge di conservazione del momento angolare.

Nelle reazioni nucleari, viene preservato il momento angolare totale delle particelle interagenti e la sua proiezione nella direzione scelta.

Si consideri una reazione della forma (6.1). Per esso, la legge di conservazione della quantità di moto ha la seguente forma:

, (6.22)

Qui attraverso
sono indicati gli spin delle particelle corrispondenti,
sono i momenti orbitali delle corrispondenti coppie di particelle, che ne caratterizzano il moto relativo.

Tutti i vettori inclusi nella formula (6.23) sono quantomeccanici. Hanno le seguenti caratteristiche. Attenzione vettore meccanico può avere contemporaneamente determinati valori del quadrato del modulo
e una delle sue proiezioni alla direzione assegnata . In questo caso, la proiezione del vettore può assumere uno dei seguenti valori: , totale
valori corrispondenti a diversi orientamenti del vettore nello spazio. La somma di due vettori
è ambiguo e il numero di Kant del vettore somma può avere i valori: , in totale
valori, dove
- il valore minimo di
. La contabilizzazione di queste funzionalità porta a determinate regole di selezione. Sopra, in particolare, sono state considerate le regole di selezione dei decadimenti radioattivi.

6.4 Meccanismi delle reazioni nucleari.

Nel caso di considerare la struttura e le proprietà dei nuclei, a causa della difficoltà di descriverli accuratamente, ricorrono alla costruzione di modelli nucleari, sulla base dei quali vengono spiegate alcune proprietà dei nuclei. Un problema simile sorge quando si descrivono le reazioni nucleari. Come nel caso dei nuclei, qui vengono utilizzati vari modelli, che vengono chiamati meccanismi di reazione. Ci sono molti meccanismi differenti. Successivamente verranno descritti tre meccanismi principali delle reazioni nucleari: 1) il meccanismo del nucleo composto, 2) il meccanismo delle reazioni dirette, 3) il meccanismo di fissione dei nuclei pesanti.

6.4.1 Meccanismo del kernel composto. Il meccanismo del nucleo composto viene utilizzato per reazioni la cui durata è
supera significativamente il tipico tempo nucleare
c è il tempo di volo della particella attraverso il nucleo. Secondo questo meccanismo, la reazione procede in due fasi:

Nella prima fase si forma un nucleo intermedio composto ( composto), che esiste da molto tempo nello stato eccitato. Questo nucleo ha caratteristiche ben definite (massa, carica, spin, ecc.). Nella seconda fase, il nucleo intermedio si decompone in prodotti di reazione.

Per questo meccanismo di reazione, un ruolo significativo è svolto dalla lunga durata del nucleo intermedio. Ci sono diversi motivi per cui un nucleo intermedio può essere longevo. 1. Energia di eccitazione (energia di legame delle particelle nel nucleo e la sua energia cinetica iniziale) è distribuita tra tutte le particelle del nucleo. Come risultato di questa ridistribuzione dell'energia, nessuna delle particelle ha energia sufficiente per volare fuori dal nucleo. Per il decadimento del nucleo intermedio è necessaria la concentrazione inversa di energia su qualsiasi particella o gruppo di particelle. Tale processo è di natura fluttuante e ha una bassa probabilità. 2. L'emissione di una particella dal nucleo intermedio, a sua volta, può essere notevolmente complicata a causa di alcune regole di selezione. 3. La rimozione dell'eccitazione del nucleo intermedio può verificarsi a causa di - radiazioni. Questo processo di rimozione dell'eccitazione è accompagnato da una ristrutturazione del nucleo, che richiede molto tempo.

Una caratteristica del nucleo intermedio è il fatto che il suo decadimento non dipende da come si è formato il nucleo. Ciò consente di considerare le due fasi della reazione indipendentemente l'una dall'altra. La probabilità del decadimento del nucleo intermedio:

, (6.25)

dove
- intera larghezza. Poiché il nucleo intermedio può decadere lungo vari canali (emissione - radiazione, protone, neutrone, ecc.), la probabilità di decadimento può essere rappresentata come somma di probabilità parziali che caratterizzano il decadimento lungo uno dei possibili canali:

Probabilità relative di decadimento del nucleo intermedio attraverso questo canale:
, dove - larghezza parziale, secondo il meccanismo del nucleo intermedio non dipendono dal metodo della sua formazione. Si noti che le larghezze totali e parziali hanno la dimensione dell'energia.

L'energia di eccitazione del nucleo intermedio ha uno spettro discreto, cioè può assumere solo determinati valori. Energia dello stato fondamentale stabile di un sistema quantistico con durata
rigorosamente definito. Ciò deriva dal principio di indeterminazione. In questo caso viene descritto lo stato energetico del nucleo - una funzione (Fig. 6.1) con una larghezza
. Questo stato chiamata stazionario. Gli stati eccitati del nucleo intermedio con un'energia di eccitazione inferiore all'energia di separazione di qualsiasi particella e per i quali la radiazione è vietata hanno una durata molto lunga e, di conseguenza, una larghezza di livello molto piccola. Tali stati sono chiamati metastabile. Gli stati metastabili possono essere descritti con un buon grado di accuratezza da una funzione. Le vite degli stati eccitati del nucleo intermedio, se non sono metastabili, sono dell'ordine di 10 -12 s o meno (questi tempi sono lunghi rispetto al tempo nucleare caratteristico, ma brevi rispetto alla vita degli stati metastabili) . Tali stati sono caratterizzati da una larghezza sufficientemente grande e sono chiamati quasi stazionario. La probabilità che il sistema in questo stato abbia energia
, è descritto dalla distribuzione di dispersione:

. (6.27)

Questa distribuzione è mostrata in fig. 6.2.

Riso. 6.1 Fig. 6.2

Un nucleo composto in uno stato eccitato quasi stazionario si forma se l'energia della particella incidente rientra nell'intervallo di incertezza dell'energia dello stato. Se la larghezza dei livelli è molto inferiore alla distanza media tra livelli vicini, quindi a un'energia fissa delle particelle incidenti la reazione procederà attraverso un unico livello. Questo tipo di reazione è chiamato risonante.

All'aumentare dell'energia di eccitazione, i livelli di energia si condensano fortemente e la disuguaglianza inizia a reggere
. I livelli di energia si sovrappongono e la reazione può procedere a qualsiasi energia delle particelle incidenti, a partire da un certo valore. Tali reazioni sono chiamate fuori risonanza.

Una caratteristica delle reazioni risonanti è la distribuzione angolare dei prodotti di reazione, che è simmetrica nell'SCR rispetto al piano perpendicolare alla quantità di moto della particella incidente ( simmetria fronte-retro) (Fig.6.3). Nel caso di reazioni non risonanti, la distribuzione angolare dei prodotti di reazione nell'SDH è isotropa (Fig. 6.4).

0 90 180 0 90 180

Riso. 6.3 Fig. 6.4
6.4.2 Meccanismo di reazioni dirette. reazione direttaè una reazione che procede in tempi molto brevi (dell'ordine del tempo nucleare caratteristico). Le reazioni dirette procedono a energie relativamente elevate (dell'ordine di 10 MeV e più).

Le caratteristiche delle reazioni dirette sono le seguenti. 1. Una particella incidente, ad esempio un nucleone, trasferisce quasi tutta la sua energia direttamente a qualche frammento in uscita del nucleo: un nucleone, - particella. Le particelle emesse hanno quindi un'elevata energia. 2. In questo caso, la distribuzione angolare dei prodotti di reazione ha un carattere anisotropo pronunciato. Le particelle volano fuori dal nucleo prevalentemente nella direzione della quantità di moto della particella incidente. 3. Le probabilità di fuga dal nucleo di protoni e neutroni sono le stesse, poiché ad alte energie delle particelle emesse la presenza della barriera di Coulomb è insignificante.

Esiste un'ampia varietà di reazioni nucleari dirette. Consideriamo brevemente le seguenti reazioni: reazioni penetrazione incompleta deuterone nel nucleo, reazioni guasto e reazioni Raccogliere.

Prendiamo un deuterone come particella incidente, che è una formazione debolmente legata di un protone e un neutrone (energia di legame 2,23 MeV). Durante la reazione di penetrazione incompleta, il deuterone viene polarizzato dalle forze di Coulomb con un'interruzione in un protone e un neutrone, il neutrone viene trasferito al nucleo ("ganci" al nucleo) e il protone continua il suo movimento senza entrare nel nucleo e praticamente senza cambiare la direzione del movimento.

La reazione di stripping si osserva in collisioni non centrali del deuterone e del nucleo bersaglio. Il protone e il neutrone nel deuterone si trovano a grandi distanze l'uno dall'altro e la maggior parte del tempo trascorrono al di fuori del raggio d'azione delle forze che li legano (una delle caratteristiche del deuterone). Al momento dell'interazione del deuterone con il nucleo bersaglio, il protone e il neutrone del deuterone, a causa della grande distanza tra loro, possono trovarsi in condizioni diverse. Uno dei nucleoni può trovarsi nel campo d'azione delle forze nucleari del nucleo ed esserne catturato. Il secondo nucleone, che è al di fuori del campo del nucleo, non viene catturato dal nucleo e vola oltre il nucleo.

La reazione di pickup consiste nel fatto che il nucleo incidente, volando oltre il nucleo bersaglio, raccoglie uno dei nucleoni del nucleo bersaglio e lo porta via.

Si noti che il processo di scambio di nucleoni tra il deuterone e il nucleo bersaglio è proibito dalla legge di conservazione dello spin isotopico. Il processo di scambio reciproco di nucleoni è possibile nei casi in cui la particella incidente è un nucleo complesso.

6.4.3 Fissione di nuclei pesanti. divisione nucleo è il processo della sua trasformazione in più nuclei, che sono paragonabili in massa. Distinguere spontaneo e costretto fissione nucleare. La fissione spontanea è un processo spontaneo e si riferisce alle trasformazioni radioattive dei nuclei. La fissione nucleare forzata avviene sotto l'azione di particelle, di solito neutroni.

Elenchiamo le principali proprietà della fissione nucleare.

1. La fissione dei nuclei pesanti è accompagnata dal rilascio di grande energia. Ciò deriva da un confronto delle masse del nucleo iniziale e dei nuclei risultanti:

, (6.28)

dov'è la massa del nucleo fissile, sono le masse dei nuclei risultanti. Si divida il nucleo originario sotto l'azione di un neutrone in due frammenti. Le masse dei nuclei si calcolano con la formula:

dove è l'energia di legame per nucleone. Tenendo conto del fatto che

sostituendo (6.29) nella formula (6.28), otteniamo:

, (6.30)

(6.31)

Energia media di legame dei nuclei dei frammenti per nucleone. Poiché, il valore per i nuclei dal centro tavola periodica più elementi che per i nuclei pesanti (
), poi
E .

2. La parte principale dell'energia di fissione viene rilasciata sotto forma di energia cinetica dei nuclei dei frammenti. Ciò è spiegato dal fatto che grandi forze repulsive di Coulomb agiscono tra i nuclei formati a seguito della fissione.

3. I nuclei del frammento sono - radioattivo e può emettere neutroni. I nuclei del frammento sono formati da nuclei pesanti, per i quali
, e risultano essere "sovraccaricati" dai neutroni. Tali nuclei sono - radioattivo. A causa di questo effetto, una parte insignificante dell'energia di fissione viene rilasciata sotto forma di energia - decadimento.

4. Nel processo di fissione, parte dei neutroni in eccesso può volare direttamente fuori dai nuclei ( neutroni secondari) e portano via parte dell'energia dalla reazione di fissione.

Condizione ed è condizione necessaria per il processo di fissione nucleare, ma non è sempre sufficiente. Se questa condizione non fosse solo necessaria, ma anche sufficiente, allora si osserverebbe il processo di fissione per tutti i nuclei, a partire da
. Tuttavia, il processo di fissione è stato scoperto solo per un piccolo numero di nuclei pesanti (torio, protoattinio, uranio). Consideriamo questo problema sulla base del modello a goccia del nucleo.

Assumiamo che il nucleo iniziale sia allo stato fondamentale, abbia una forma sferica e sia diviso in due frammenti. Dopo la fissione, i frammenti nucleari divergono su una grande distanza e la loro energia sarà considerata uguale a zero:
, dove - energia superficiale e è l'energia di Coulomb dei nuclei dei frammenti. Sostituiamo mentalmente il processo di fissione nucleare con il processo inverso di fusione dei nuclei dei frammenti. Questo processo è mostrato schematicamente in Fig. 6.5.

Riso. 6.6

Quando i frammenti di fissione si avvicinano l'uno all'altro fino a toccarsi, la loro energia di legame sarà

, (6.32)

dove
,
sono i raggi dei nuclei dei frammenti. L'energia del nucleo prima della fissione (6.30) (Fig. 6.6) è inferiore a . Ci si dovrebbe aspettare che questa barriera di Coulomb impedisca il processo di fissione nucleare.

Assumiamo che il nucleo originale passi dallo stato fondamentale a uno stato eccitato, ad esempio come risultato della cattura di un neutrone da parte di esso. Come risultato della cattura, il nucleo si deforma senza variazioni di volume ed entra in moto oscillatorio. Sono possibili due casi a seconda dell'energia di eccitazione.

Se l'energia di eccitazione è piccola, il nucleo esegue movimenti oscillatori, in cui la sua forma cambia da sferica a ellissoidale e viceversa. Il passaggio da una forma ellissoidale a una sferica avviene sotto l'azione delle forze tensione superficiale noccioli.

Ad un'elevata energia di eccitazione, il nucleo si deforma, assumendo la forma di un ellissoide fortemente allungato, tra i cui poli agiscono forze repulsive Coulomb sufficientemente grandi. Se in questo caso le forze di Coulomb risultano essere maggiori delle forze di tensione superficiale, che tendono a riportare l'anima alla sua forma originaria, allora l'anima continua a deformarsi e alla fine si rompe in due frammenti. Sotto l'azione delle forze di tensione superficiale, i frammenti assumono una forma sferica e, sotto l'azione delle forze di repulsione di Coulomb, i frammenti divergono su una grande distanza tra loro.

Consideriamo come cambia l'energia del nucleo quando è eccitato. L'energia superficiale inizialmente aumenta a causa dell'aumento della superficie del nucleo. L'energia di Coulomb all'inizio del processo di fissione, a causa della piccolezza della deformazione, praticamente non cambia (Fig. 6.7). Con un'ulteriore deformazione, la crescita dell'energia superficiale rallenta e si avvicina a un valore costante pari alla somma delle energie superficiali dei nuclei del frammento. L'energia di Coulomb in questo caso diminuisce (Fig. 6.7). La curva di variazione dell'energia del nucleo assume la forma mostrata in Fig. 6.8.

Riso. 6.7
La differenza tra l'energia del nucleo originale non eccitato e l'energia massima del nucleo eccitato
chiamata energia di attivazione . La differenza tra l'energia del nucleo non eccitato e la somma delle energie dei frammenti a grande distanza tra loro è l'energia della reazione.

Riso. 6.8
La Figura 6.8 mostra che affinché il nucleo originale si divida, deve ricevere un'energia di eccitazione maggiore dell'energia di attivazione. In questo caso, l'energia rilasciata durante la fissione

(6.33)

può essere positivo.

Considera la possibilità spontaneo fissione nucleare. Il nucleo può staccarsi spontaneamente dallo stato fondamentale in frammenti a causa dell'effetto tunnel. La probabilità di un tale effetto dipende dalle masse dei frammenti risultanti. Poiché le masse dei frammenti sono grandi, la probabilità di tale fissione è piccola. Il meccanismo di questa fissione spontanea è simile al meccanismo del decadimento. A causa della piccolezza della massa - particelle - il decadimento è più probabile.

Man mano che ci spostiamo verso nuclei sempre più pesanti, l'altezza della barriera potenziale diminuisce e la probabilità di fissione spontanea aumenta. Quando l'energia di attivazione diminuisce a zero (assenza di una potenziale barriera), si trasforma in fissione spontanea immediato divisione. Il nucleo rapidamente fissile in Fig. 6.8 corrisponde a una linea tratteggiata in grassetto.

6.5 Fissione di nuclei sotto l'influenza di neutroni. Reazioni nucleari a catena.

Le reazioni di fissione nucleare sotto l'azione dei neutroni sono accompagnate dalla comparsa di neutroni secondari. Questi neutroni possono essere successivamente utilizzati per la fissione di altri nuclei. Poiché l'energia viene rilasciata durante la fissione, questo processo è di grande importanza per scopi pratici.

Se due neutroni compaiono in un evento di fissione nucleare, risulta possibile effettuare un'ulteriore fissione di altri due nuclei, a seguito della quale appariranno quattro neutroni, che a loro volta possono dividere quattro nuclei con la formazione di otto neutroni , eccetera. Di conseguenza, si sviluppa un processo simile a una valanga - reazione nucleare a catena. Il processo sopra descritto è l'ideale perché a causa di varie circostanze, non tutti i neutroni secondari prendono parte alla reazione a catena. I neutroni secondari possono lasciare la reazione a causa della dispersione anelastica, della cattura radiativa e di altri motivi. Come effetti collaterali influenzare significativamente il corso della reazione e può portare alla sua attenuazione.

Affinché la reazione proceda, è necessario che il numero di neutroni in una data generazione non sia inferiore al numero di neutroni nella generazione precedente. Viene chiamato il rapporto tra il numero di neutroni di una data generazione e il numero di neutroni della generazione precedente fattore di moltiplicazioneK. Se K k=1 la reazione procede a potenza costante. Infine, a K>1 aumento della potenza di reazione.

I parametri dell'impianto (reattore nucleare) hanno un'influenza significativa sull'andamento della reazione a catena. Il numero di neutroni emessi è proporzionale alla superficie dell'installazione, il numero di neutroni prodotti al suo volume. Atteggiamento
aumenta al diminuire della dimensione dell'installazione. Ciò aumenta il numero di neutroni emessi attraverso la superficie della struttura. Questi neutroni escono da un processo a catena nucleare. Pertanto, ci sono parametri minimi dell'installazione, ai quali il numero di neutroni che lasciano l'installazione attraverso la sua superficie diventa sufficientemente grande e la reazione a catena diventa impossibile anche se vengono soddisfatte altre condizioni necessarie affinché la reazione si verifichi. Vengono chiamate le dimensioni minime dell'installazione in cui una reazione a catena diventa impossibile dimensioni critiche. Viene chiamata la massa minima di un materiale fissile nucleare (ad esempio uranio). massa critica.

L'intensità della reazione di fissione dipende dall'energia del neutrone e dal tipo di nuclei fissili. Vengono chiamati neutroni con energie comprese tra 0,025 e 0,5 eV termico, con energie da 0,5 eV a 1 keV – risonante, con energie da 1 keV a 100 keV – intermedio, infine, vengono chiamati neutroni con energie da 100 keV a 14 MeV veloce. Sotto l'azione dei neutroni veloci, quasi tutti i nuclei (leggeri, intermedi e pesanti) vengono fissili. Sotto l'azione di neutroni con un'energia di diversi MeV, solo i nuclei pesanti sono fissili, a partire da circa =200. Alcuni nuclei pesanti possono essere fissili da neutroni di qualsiasi energia, compresi i neutroni termici. Questi nuclei includono gli isotopi dell'uranio
, un isotopo del plutonio
e alcuni isotopi di elementi transuranici. Isotopo di uranio
fissile solo sotto l'azione di neutroni veloci. Dal punto di vista energetico, le più favorevoli sono le reazioni di fissione dei nuclei pesanti sotto l'azione dei neutroni termici.

La probabilità relativa di fissione nucleare sotto l'azione di neutroni con energie di 2-6 MeV è di circa 0,2, la probabilità relativa di altri processi (scattering anelastico, cattura radiativa) è 0,8. Pertanto, 4/5 dei neutroni veloci vengono eliminati dalla reazione. Perché avvenga una reazione a catena, è necessario che almeno cinque neutroni secondari con un'energia maggiore di 1 MeV si verifichino in un singolo evento di fissione. Poiché il numero reale di neutroni secondari è 2-3 e la loro energia è solitamente inferiore a 1 MeV, il compito di implementare una reazione a catena di fissione dell'uranio diventa praticamente impossibile.

Urano
fissile sotto l'azione dei neutroni termici. Per lui lo scattering anelastico dei neutroni non è fondamentale. Il ruolo della cattura risonante di neutroni lenti è relativamente piccolo. Ciò consente di effettuare una reazione a catena su un isotopo puro.

In una miscela naturale di isotopi di uranio, l'isotopo è solo 1/140 parte. Tuttavia, nonostante nel caso dei neutroni termici, solo 1/140 dei nuclei partecipi al processo di fissione e tutti i nuclei della miscela di uranio partecipino al processo di cattura risonante, nella regione termale la probabilità di fissione è paragonabile alla probabilità di dispersione risonante. Diventa quindi possibile effettuare una reazione a catena sulla base senza prima separarla dalla miscela.

Per ridurre la probabilità di cattura della risonanza, è possibile utilizzare il metodo arricchimento isotopo e metodo dell'uranio naturale rallentare neutroni veloci su vari moderatori - sostanze la cui massa dei nuclei è paragonabile alla massa di un neutrone. Il secondo metodo sembra essere il più efficace. I neutroni in questo caso sperimentano collisioni elastiche con nuclei moderatori, trasferendo loro parte della sua energia e trasformandosi gradualmente in neutroni termici.

Quantitativamente, il processo di reazione è caratterizzato dal fattore di moltiplicazione

, (6.34)

dove è il fattore di moltiplicazione dei neutroni per un mezzo infinito (il reattore è infinitamente grandi formati), - la probabilità di evitare la fuoriuscita di neutroni - la probabilità che un neutrone non lasci i limiti di un reattore reale. Coefficiente

) neutroni secondari che volano fuori dai nuclei dopo un lungo periodo di tempo, da poche frazioni di secondo a diversi secondi. Tali neutroni sono chiamati ritardato. Se il fattore di moltiplicazione dei neutroni risulta essere non superiore a 1,0064, quindi, tenendo conto del fatto che lo 0,64% dei neutroni è ritardato, la reazione non può procedere solo a causa dei neutroni rapidi. Insieme ai neutroni rapidi, è necessario tenere conto dei neutroni ritardati. La contabilizzazione dei neutroni ritardati per la vita media di una generazione dà
da. Prendere valori
e \u003d 0,1, troviamo che in 1 s il numero di neutroni aumenta solo 1,05 volte. Un così lento aumento dell'intensità della reazione lo rende relativamente facile da controllare.

6.6 Reazioni termonucleari. Fusione termonucleare controllata.

Insieme alle reazioni di fissione dei nuclei pesanti, in cui viene rilasciata energia, ci sono reazioni di fusione dei nuclei leggeri. Come le reazioni di fissione, vengono con il rilascio di energia:

, (6.39)

dove è il numero di massa totale dei nuclei che si fondono, è il valore medio della loro energia di legame specifica, è l'energia di legame specifica del nucleo più pesante. L'energia rilasciata per nucleone durante la fusione nucleare di solito supera l'energia di fissione. Un esempio di reazione di sintesi è la reazione

, (6.40)

In questo caso, la reazione richiede un'energia sufficientemente grande di particelle in collisione per superare la barriera di Coulomb (circa 0,1 MeV).

Il compito principale della fusione termonucleare è il problema di come rendere autosufficienti tali reazioni. Innanzitutto è necessario che i nuclei in collisione abbiano un grande energia cinetica. Ciò richiede il riscaldamento della miscela di nuclei che reagiscono a temperature dell'ordine di centinaia di milioni di gradi. A determinate temperature, la materia è un plasma completamente ionizzato. Ciò dà origine al seguente problema di confinare un plasma ad alta temperatura di lunga durata per un tempo sufficientemente lungo. Il primo problema viene risolto sulla base dell'ottenimento di nuclei di alta energia dovuti al calore della reazione stessa. Per colpa di alta temperatura il plasma deve essere isolato dalle pareti del reattore. Per effettuare il confinamento del plasma viene utilizzato il metodo del suo isolamento termico dovuto ai campi magnetici, in particolare l'idea di utilizzare effetto pizzicoè la compressione trasversale del plasma quando lo attraversa corrente elettrica. In terzo luogo, il plasma deve avere un'alta densità. Ciò è dovuto al fatto che gli elettroni del plasma veloci perdono energia a causa della radiazione di bremsstrahlung e di sincrotrone. Per compensare queste perdite e ottenere un guadagno di energia, è necessario creare plasma ad alta densità.

Affinché il rilascio di energia della reazione di fusione termonucleare superi il consumo di energia, è necessario eseguire Criterio Lawson. Il criterio Lawson è una combinazione specifica del parametro di conservazione
, dove è il numero di nuclei in 1 cm 3 , è il tempo di confinamento del plasma in secondi e le temperature . Per plasma di deuterio puro
e
.

Esistono diversi modi per implementare il criterio di Lawson. Il primo problema di ottenere un plasma ad alta temperatura può essere risolto sulla base dei seguenti meccanismi: 1) Passaggio di una corrente elettrica attraverso il plasma. Il riscaldamento si verifica a causa del calore Joule. Questo meccanismo di riscaldamento viene utilizzato nella fase iniziale fino a quando il plasma non viene riscaldato a 10 7 gradi. 2) Compressione del plasma da parte di forze elettrodinamiche quando una corrente lo attraversa. In questo caso si verifica un riscaldamento adiabatico del plasma dovuto alla rapida compressione (effetto pizzico). 3) Riscaldamento al plasma ad alta frequenza campo elettromagnetico. 4) Riscaldamento intenso radiazione laser e così via.

Il secondo problema è il problema del confinamento del plasma. Consideriamo il metodo più promettente di fusione termonucleare controllata: il metodo di confinamento magnetico del plasma. Componenti I plasma sono ioni ed elettroni che trasportano una carica elettrica. Plasma posto in un campo magnetico le particelle di plasma cariche si muoveranno lungo linee a spirale che sono "avvolte" sulle linee del campo magnetico. Quando viene raggiunto un certo valore di corrente, diventano possibili forze di compressione del plasma sufficienti a vincere la pressione del plasma e spingerlo lontano dalle pareti della camera. Per il confinamento plasmatico, quindi, è necessario che la condizione

. (6.41)

Questa condizione è realizzabile per
cm -3.

Inizialmente, per ottenere plasma ad alta temperatura, è stata utilizzata la scarica di una batteria di condensatori ad alta capacità. La corrente di scarica genera un campo magnetico che trattiene e riscalda il plasma a causa della sua compressione. Appare un “cordone” di plasma, trattenuto dalla corrente che lo attraversa (Fig. 6.9).


Vuoto

Vuoto

Riso. 6.9
Utilizzando il metodo della compressione del plasma mediante forze elettrodinamiche, è possibile ottenere un plasma con una temperatura
e densità 10 12 -10 13 cm -3 . Tuttavia, qui sorge il problema dell'instabilità del plasma. Il "cordone" di plasma inizialmente formato è estremamente instabile alle sue deformazioni (costrizioni e piegamenti). Essendo sorte, tali deformazioni crescono esponenzialmente sotto l'azione di forze interne e in breve tempo (dell'ordine dei microsecondi) portano il plasma a contatto con le pareti della camera. In così poco tempo, non viene rilasciata abbastanza energia per mantenere la temperatura e un processo autosufficiente è impossibile. Per risolvere questo problema sono stati utilizzati vari progetti di impianti. In particolare, camere di lavoro di forma toroidale con combinate campi magnetici. Tali installazioni sono chiamate tokamak. Su impianti di questo tipo è possibile ottenere plasma con una temperatura di 10 7 gradi, una densità di 10 10 cm -3 e conservarlo per diverse centinaia di frazioni di secondo. Questi parametri sono vicini ai parametri di Lawson.

Attualmente, le strutture di tipo tokamak sono le più promettenti per la fusione termonucleare controllata.

La fusione termonucleare incontrollata viene eseguita sul Sole e può essere eseguita sotto forma di esplosione bomba all'idrogeno(reazione termonucleare autosufficiente non stazionaria iniziata da un'esplosione atomica).

Le reazioni nucleari sono le trasformazioni dei nuclei atomici durante l'interazione con particelle elementari (incluso y-quanta) o tra loro. Il tipo più comune di reazione nucleare è la reazione, scritta simbolicamente come segue:

dove X e Y sono i kernel iniziali e finali, ma e B- bombardare ed emettere (o emettere) in una reazione nucleare particelle.

In ogni reazione nucleare, sono soddisfatte le leggi di conservazione della carica e dei numeri di massa: somma delle spese (massiccio) il numero di nuclei e particelle che entrano in una reazione nucleare è uguale alla somma dei numeri di carica (massa) dei prodotti finali (nuclei e particelle) della reazione. Anche eseguito leggi di conservazione dell'energia, quantità di moto e momento di slancio.

A differenza del decadimento radioattivo, che procede sempre con il rilascio di energia, le reazioni nucleari possono essere o esotermiche (con rilascio di energia) o endotermiche (con assorbimento di energia).

Un ruolo importante nello spiegare il meccanismo di molte reazioni nucleari è stato svolto dall'ipotesi di N. Bohr (1936) che le reazioni nucleari procedano in due fasi secondo il seguente schema:

Il primo stadio è la cattura della particella a da parte del nucleo X, avvicinandosi ad essa a una distanza di azione delle forze nucleari (circa 2 10 15 m), e la formazione di un nucleo intermedio C, chiamato composto (o composto-nucleo) . L'energia di una particella che è volata nel nucleo viene rapidamente distribuita tra i nucleoni del nucleo composto, per cui si trova in uno stato eccitato. Nella collisione di nucleoni di un nucleo composto, uno dei nucleoni (o una loro combinazione, ad esempio un deuterone - il nucleo di un isotopo pesante di idrogeno - deuterio, contenente un protone e un neutrone) o una particella cx può ricevere energia sufficiente per sfuggire al nucleo. Di conseguenza, è possibile il secondo stadio della reazione nucleare: il decadimento del nucleo composto nel nucleo Y e nella particella B.

Classificazione delle reazioni nucleari

In base al tipo di particelle coinvolte nelle reazioni:

• reazioni sotto l'azione dei neutroni;
• reazioni sotto l'azione di particelle cariche (ad esempio, protoni, (particelle X).

Secondo l'energia delle particelle che causano la reazione:

• reazioni a basse energie (dell'ordine di eV), che si verificano principalmente con la partecipazione di neutroni;
• reazioni a energie medie (diversi MeV) che coinvolgono quanti e particelle cariche;
• reazioni ad alta energia (centinaia e migliaia di MeV), che portano alla nascita di particelle elementari assenti allo stato libero e di grande importanza per il loro studio.

Secondo il tipo di nuclei coinvolti nelle reazioni:

• reazioni sui nuclei leggeri (LA 50);
• reazioni su nuclei medi (50 A
• reazioni sui nuclei pesanti (A > 150).

Per la natura delle trasformazioni nucleari in corso:

• reazioni con emissione di neutroni;
• reazioni con emissione di particelle cariche. La prima reazione nucleare in assoluto (Rutherford; 1919)

Un ruolo importante nello sviluppo di idee sulla struttura dei nuclei è stato svolto dallo studio delle reazioni nucleari, che ha fornito ampie informazioni sugli spin e sulle parità degli stati eccitati dei nuclei e ha contribuito allo sviluppo del modello a guscio. Lo studio delle reazioni che comportano lo scambio di più nucleoni tra nuclei in collisione ha permesso di studiare la dinamica nucleare in uno stato con grandi momenti angolari. Di conseguenza, sono state scoperte lunghe bande di rotazione, che sono servite come una delle basi per creare un modello generalizzato del nucleo. Quando i nuclei pesanti si scontrano, si formano nuclei che non esistono in natura. La sintesi degli elementi transuranici si basa in gran parte sulla fisica dell'interazione dei nuclei pesanti. Nelle reazioni con ioni pesanti si formano nuclei lontani dalla banda di stabilità β. I nuclei lontani dalla banda di stabilità β differiscono dai nuclei stabili in un diverso rapporto tra le interazioni Coulomb e nucleari, il rapporto tra il numero di protoni e il numero di neutroni, una differenza significativa nelle energie di legame di protoni e neutroni, che si manifesta stesso in nuovi tipi di decadimento radioattivo: radioattività di protoni e neutroni e una serie di altre caratteristiche specifiche dei nuclei atomici.
Quando si analizzano le reazioni nucleari, è necessario tenere conto della natura ondulatoria delle particelle che interagiscono con i nuclei. La natura ondulatoria del processo di interazione delle particelle con i nuclei si manifesta chiaramente nello scattering elastico. Pertanto, per nucleoni con un'energia di 10 MeV, la lunghezza d'onda di de Broglie ridotta è inferiore al raggio del nucleo e durante la dispersione di un nucleone si verifica un modello caratteristico di massimi e minimi di diffrazione. Per nucleoni con un'energia di 0,1 MeV, la lunghezza d'onda è maggiore del raggio del nucleo e non c'è diffrazione. Per neutroni con energia<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Le reazioni nucleari sono un metodo efficace per studiare la dinamica nucleare. Le reazioni nucleari si verificano quando due particelle interagiscono. In una reazione nucleare, c'è uno scambio attivo di energia e quantità di moto tra le particelle, con conseguente formazione di una o più particelle che volano via dalla regione di interazione. Come risultato di una reazione nucleare, si verifica un complesso processo di riorganizzazione del nucleo atomico. Come nella descrizione della struttura del nucleo, nella descrizione delle reazioni nucleari è praticamente impossibile ottenere una soluzione esatta del problema. E proprio come la struttura del nucleo è descritta da vari modelli nucleari, il corso di una reazione nucleare è descritto da vari meccanismi di reazione. Il meccanismo di una reazione nucleare dipende da diversi fattori: il tipo di particella incidente, il tipo di nucleo bersaglio, l'energia della particella incidente e una serie di altri fattori. Uno dei casi limite di una reazione nucleare è reazione nucleare diretta. In questo caso, la particella incidente trasferisce energia a uno o due nucleoni del nucleo e lasciano il nucleo senza interagire con altri nucleoni del nucleo. Il tempo caratteristico di una reazione nucleare diretta è di 10 -23 s. Le reazioni nucleari dirette hanno luogo su tutti i nuclei a qualsiasi energia della particella incidente. Le reazioni nucleari dirette vengono utilizzate per studiare gli stati di particella singola dei nuclei atomici, perché i prodotti di reazione portano informazioni sulla posizione dei livelli da cui il nucleone viene eliminato. Usando le reazioni nucleari dirette, sono state ottenute informazioni dettagliate sulle energie e sull'occupazione degli stati di singola particella dei nuclei, che hanno costituito la base del modello a guscio del nucleo. L'altro caso limite sono le reazioni che procedono formazione di nuclei composti.

La descrizione del meccanismo delle reazioni nucleari è stata data nei lavori di W. Weisskopf.

W. Weiskopf: “Cosa succede quando una particella entra in un nucleo e si scontra con uno dei costituenti nucleari? La figura illustra alcune di queste possibilità.
1) La particella che cade perde parte della sua energia, portando la particella nucleare a uno stato superiore. Questo sarà il risultato della dispersione anelastica se la particella incidente viene lasciata con energia sufficiente per lasciare di nuovo il nucleo. Questo processo è chiamato scattering anelastico diretto perché comporta lo scattering da una sola parte costituente del nucleo.
2) La particella che cade trasferisce energia al moto collettivo, come è simbolicamente mostrato nel secondo diagramma della figura, anche questa è un'interazione diretta.
3) Nel terzo schema della figura, l'energia trasferita è abbastanza grande da estrarre il nucleone dal bersaglio. Questo processo contribuisce anche alla reazione nucleare diretta. In linea di principio, non differisce da 1), corrisponde alla "reazione di scambio".
4) Una particella in arrivo può perdere così tanta energia da rimanere legata all'interno del nucleo, l'energia trasferita può essere assorbita da un nucleone basso in modo tale che non possa lasciare il nucleo. Otteniamo quindi un nucleo eccitato che non può emettere un nucleone. Questo stato porta necessariamente a ulteriori eccitazioni dei nucleoni da collisioni interne, in cui l'energia per particella eccitata diminuisce in media, così che nella maggior parte dei casi il nucleone non può lasciare il nucleo. Di conseguenza, si raggiungerà uno stato con una vita lunghissima, che può decadere solo se una particella, in collisioni all'interno del nucleo, acquisisce accidentalmente energia sufficiente per lasciare il nucleo. Chiamiamo questa situazione la formazione di un nucleo composto. L'energia può anche essere persa per radiazione, dopo di che la fuga di una particella diventa energeticamente impossibile: il nucleone incidente subisce la cattura radiativa.
5) La formazione di un nucleo composto può essere effettuata in due o più fasi, se dopo un processo di tipo 1) o 2) il nucleone incidente nel suo cammino colpisce un altro nucleone e lo eccita in modo tale che sia impossibile per qualsiasi nucleone per lasciare il nucleo.

Per la prima volta, l'idea di una reazione nucleare che procede attraverso lo stadio di un nucleo composto è stata espressa da N. Bohr. Secondo il modello del nucleo composto, una particella incidente, dopo aver interagito con uno o due nucleoni del nucleo, trasferisce la maggior parte della sua energia al nucleo e viene catturata dal nucleo. La vita di un nucleo composto è molto più lunga del tempo di volo di una particella incidente attraverso il nucleo. L'energia introdotta dalla particella incidente nel nucleo viene ridistribuita tra i nucleoni del nucleo fino a quando una parte significativa di essa non viene concentrata su una particella, quindi vola fuori dal nucleo. La formazione di uno stato eccitato di lunga durata può portare alla sua fissione a causa della deformazione.

N. Bor: “Il fenomeno della cattura dei neutroni fa supporre che la collisione tra un neutrone veloce ed un nucleo pesante debba portare, innanzitutto, alla formazione di un sistema complesso caratterizzato da una notevole stabilità. L'eventuale successivo decadimento di questo sistema intermedio con l'espulsione di una particella materiale o il passaggio allo stato finale con l'emissione di un quanto di energia radiante sono da considerarsi processi indipendenti che non hanno alcun collegamento diretto con la prima fase dell'urto. Incontriamo qui una differenza essenziale, finora non riconosciuta, tra le reazioni nucleari reali - le collisioni ordinarie di particelle veloci e sistemi atomici - collisioni che finora sono state la nostra principale fonte di informazioni sulla struttura dell'atomo. Infatti, la possibilità di contare le singole particelle atomiche attraverso tali collisioni e di studiarne le proprietà è dovuta, in primo luogo, all'"apertura" dei sistemi in esame, che rende molto improbabile lo scambio di energia tra le singole particelle costituenti durante l'impatto. Tuttavia, a causa dello stretto impaccamento delle particelle nel nucleo, dobbiamo essere preparati al fatto che è questo scambio di energia che gioca il ruolo principale nelle tipiche reazioni nucleari.

Classificazione delle reazioni nucleari. Le reazioni nucleari sono un mezzo efficace per studiare la struttura dei nuclei atomici. Se la lunghezza d'onda della particella incidente è maggiore della dimensione del nucleo, in tali esperimenti si ottengono informazioni sul nucleo nel suo insieme. Se la dimensione del nucleo è più piccola, le informazioni sulla distribuzione della densità della materia nucleare, la struttura della superficie del nucleo, la correlazione tra i nucleoni nel nucleo e la distribuzione dei nucleoni sui gusci nucleari vengono estratte dal sezioni d'urto di reazione.

• L'eccitazione coulombiana dei nuclei sotto l'azione di particelle cariche relativamente grandi (protoni, particelle α e ioni di carbonio pesante e azoto) viene utilizzata per studiare i livelli di rotazione bassi dei nuclei pesanti.
• Le reazioni con ioni pesanti su nuclei pesanti, che portano alla fusione di nuclei in collisione, sono il metodo principale per ottenere nuclei atomici superpesanti.
• Reazioni di fusione di nuclei leggeri a energie di collisione relativamente basse (le cosiddette reazioni termonucleari). Queste reazioni si verificano a causa del tunneling quantomeccanico attraverso la barriera di Coulomb. Le reazioni termonucleari avvengono all'interno delle stelle a temperature di 10 7 –10 10 K e sono la principale fonte di energia stellare.
• Le reazioni fotonucleari ed elettronucleari si verificano quando γ-quanta ed elettroni con energia E > 10 MeV entrano in collisione con i nuclei.
• Reazioni di fissione di nuclei pesanti, accompagnate da un profondo riarrangiamento del nucleo.
• Le reazioni nei fasci di nuclei radioattivi aprono possibilità per ottenere e studiare nuclei con un rapporto insolito tra il numero di protoni e neutroni che sono lontani dalla linea di stabilità.

La classificazione delle reazioni nucleari viene solitamente effettuata in base al tipo e all'energia della particella incidente, al tipo di nuclei bersaglio e all'energia della particella incidente.

Reazioni sui neutroni lenti

“1934 Una mattina Bruno Pontecorvo ed Eduardo Amaldi stavano testando la radioattività di alcuni metalli. Questi campioni sono stati modellati in piccoli cilindri cavi della stessa dimensione, all'interno dei quali poteva essere collocata una sorgente di neutroni. Per irradiare un tale cilindro, è stata inserita una sorgente di neutroni, quindi tutto è stato posto in una scatola di piombo. In questa mattina memorabile, Amaldi e Pontecorvo stavano sperimentando con l'argento. E all'improvviso Pontecorvo si accorse che stava succedendo qualcosa di strano con il cilindro d'argento: la sua attività non è sempre la stessa, cambia a seconda di dove è posizionato, al centro o nell'angolo della scatola di piombo. Completamente disorientati, Amaldi e Pontecorvo andarono a riferire questo miracolo a Fermi e Razetti. Franke era incline ad attribuire queste stranezze a qualche errore statistico o misurazioni imprecise. Ed Enrico, che credeva che ogni fenomeno richiedesse una verifica, suggerì di provare a irradiare questo cilindro d'argento fuori dalla scatola di piombo e vedere cosa succede. E poi hanno fatto miracoli assolutamente incredibili. Si è scoperto che gli oggetti nelle vicinanze del cilindro possono influenzarne l'attività. Se il cilindro veniva irradiato stando in piedi su un tavolo di legno, la sua attività era maggiore rispetto a quando veniva appoggiato su una lastra di metallo. Ora l'intero gruppo si è interessato a questo e tutti hanno preso parte agli esperimenti. Hanno posizionato la sorgente di neutroni all'esterno del cilindro e hanno posizionato vari oggetti tra esso e il cilindro. La piastra di piombo ha leggermente aumentato l'attività. Guida−sostanza pesante. "Dai, proviamo quello facile ora!−suggerito da Fermi.−Diciamo paraffina. La mattina del 22 ottobre è stato fatto un esperimento con la paraffina.
Presero un grosso pezzo di paraffina, vi scavarono un buco e vi misero una sorgente di neutroni, irradiarono un cilindro d'argento e lo portarono a un contatore Geiger. Il bancone, come se fosse uscito dalla catena, si spezzò. L'intero edificio tuonava di esclamazioni: “Impensabile! Inimmaginabile! Magia nera!" La paraffina ha aumentato cento volte la radioattività artificiale dell'argento.
A mezzogiorno un gruppo di fisici si disperdeva a malincuore per una pausa fissata per la colazione, che per loro di solito durava due ore... Enrico approfittò della sua solitudine, e quando tornò in laboratorio aveva già pronta una teoria che spiegava il strano effetto della paraffina.

In generale, l'interazione nucleare può essere scritta nella forma:

Il tipo più comune di reazione nucleare è l'interazione di una particella leggera un con nucleo X, con conseguente formazione di una particella B e nucleo Y. Questo è scritto simbolicamente in questo modo:

Ruolo delle particelle un e B il più delle volte esegue un neutrone n, protone P, deuterone D, α-particella e γ-quanto.

Il processo (4.2) di solito si verifica in modo ambiguo, poiché la reazione può procedere in diversi modi concorrenti, ad es. le particelle prodotte a seguito di una reazione nucleare (4.2) possono essere diverse:

.

Le diverse possibilità per una reazione nucleare di procedere nella seconda fase sono talvolta indicate come canali di reazione. La fase iniziale della reazione è chiamata canale di ingresso.

Gli ultimi due canali di reazione si riferiscono a casi di anelastico ( A 1 + un) ed elastico ( UN + un) di diffusione nucleare. Questi casi speciali di interazione nucleare differiscono dagli altri in quanto i prodotti di reazione coincidono con le particelle che entrano nella reazione e durante lo scattering elastico non solo viene preservato il tipo del nucleo, ma anche il suo stato interno e durante lo scattering anelastico l'interno lo stato del nucleo cambia (il nucleo passa in uno stato eccitato).

Figura 4.1. Dipendenza qualitativa probabilità di decadimento nucleare da energia.

Quando si studia una reazione nucleare, è interessante identificare i canali della reazione, la probabilità comparativa del suo flusso attraverso diversi canali a diverse energie delle particelle incidenti. I nuclei possono essere in diversi stati energetici. Lo stato di un nucleo stabile o radioattivo che corrisponde a un'energia minima (massa) E0 chiamato principale. È noto dalla meccanica quantistica che tra l'energia di uno stato e la sua vita c'è Relazione di Heisenberg: ∆E = ћ / ∆t,

I nuclei eccitati sperimentano vari tipi di transizioni energetiche. L'energia di eccitazione può essere rilasciata attraverso vari canali (trasferendo i nuclei allo stato fondamentale): emissione di γ-quanta, fissione nucleare, ecc. Per questo motivo viene introdotto il concetto di larghezza del livello parziale io. L'ampiezza parziale del livello di risonanza è la probabilità di decadimento lungo io-esimo canale. Quindi la probabilità di decadimento per unità di tempo ω può essere rappresentato come:

.

Di grande interesse è anche l'energia e la distribuzione angolare delle particelle risultanti, e il loro stato interno (energia di eccitazione, spin, parità, spin isotopico).

Molte informazioni sulle reazioni nucleari possono essere ottenute come risultato dell'applicazione delle leggi di conservazione.

È possibile visualizzare informazioni più dettagliate su questa sezione.