Существуют различные толкования термина ядерные реакции. В широком смысле ядерной реакцией называется любой процесс, начинающийся столкновением двух, редко нескольких, частиц (простых или сложных) и идущий, как правило, с участием сильных взаимодействий. Этому определению удовлетворяют и ядерные реакции в узком смысле этого слова, под которыми понимаются процессы, начинающиеся столкновением простой или сложной частицы (нуклон, а-частица, у-квант) с ядром. Отметим, что определению реакции удовлетворяет, как частный случай, и рассеяние частиц.1 Два примера ядерных реакций приведены ниже.
Исторически первая ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г. - открытие протона):
Открытие нейтрона (Чедвик, 1932 г.):
Изучение ядерных реакций необходимо для получения информации о свойствах новых ядер и элементарных частиц, возбужденных состояний ядер и т.д. Не следует забывать, что в микромире из-за наличия квантовых закономерностей на частицу или ядро нельзя «посмотреть». Поэтому основным методом изучения микрообъектов является изучение их столкновений, т. е. ядерных реакций. В прикладном отношении ядерные реакции нужны для использования ядерной энергии, а также для получения искусственных радионуклидов.
Ядерные реакции могут происходить в естественных условиях (например, в недрах звезд или в космических лучах). Но их изучение обычно проводят в лабораторных условиях, на экспериментальных установках. Для осуществления ядерных реакций необходимо сблизить частицы или ядра с ядрами до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Сближению заряженных частиц с ядрами препятствует кулоновский барьер. Поэтому для осуществления ядерных реакций на заряженных частицах используют ускорители , в которых частицы, разгоняясь в электрическом поле, приобретают энергию, необходимую для преодоления барьера. Иногда эта энергия сравнима с энергией покоя частицы или даже превышает ее: в этом случае движение описывается законами релятивистской механики. В обычных ускорителях (линейный ускоритель , циклотрон и т.п.) более тяжелая из двух сталкивающихся частиц, как правило, покоится, а более легкая па нес налетает. Покоящаяся частица называется мишенью {англ. - target). Налегающие, или бомбардирующие , частицы в русском языке специального названия не получили (в английском языке употребляется термин projectile - снаряд). В ускорителях на встречных пучках {коллайдерах) обе сталкивающиеся частицы движутся, так что разделение на мишень и пучок налетающих частиц теряет смысл.
Энергия заряженной частицы в реакции может быть и меньше высоты кулоновского барьера, как это было в классических опытах Дж. Коккрофта и Э. Уолтона, которые в 1932 г. осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки их ускоренными прогонами. В их опытах проникновение протона в ядро мишени происходило путем туннелирования через кулоновский потенциальный барьер (см. Лекцию 7). Вероятность такого процесса, разумеется, очень мала из-за малой прозрачности барьера.
Для символической записи ядерных реакций существует несколько способов, два из которых приведены ниже:
Совокупность сталкивающихся частиц в определенном квантовом состоянии (например, р и Li) называют входным каналом ядерной реакции. При столкновениях одних и тех же частиц (фиксированный входной канал) в общем случае могут появляться различные продукты реакции. Так, при столкновениях протонов с Li возможны реакции Li(р, 2а), Li(р, п) Be, 7 Li(/;, df Be и др. В этом случае говорят о конкурирующих процессах, или о множестве выходных каналов.
Часто ядерные реакции записывают в еще более короткой форме: (а, Ь) - т.е. указывая только легкие частицы и не указывая ядра, участвующие в реакции. Например, запись (/>, п) означает выбивание протоном нейтрона из какого- либо ядра, (п , у) - поглощение нейтрона ядром с испусканием у-кванта, и т.п.
Классификация ядерных реакций может быть проведена по следующим признакам:
I. По типу протекающего процесса
- 1) радиационный захват: (л, у), (р, у)
- 2) ядерный фотоэффект: (у, л), (у, р)
- 3) нуклон-нуклонные реакции:
- а) выбивание нуклона или группы нуклонов (л,р), (р , а) и т.п.
- б) «испарение» нуклонов (/?, 2л), (р , 2р) и т.п.
- в) срыв (d , /?), (d, п) и подхват (р, d ), (л, d)
- 4) деление: (л, Д (р,Д О/,У)
- 5) синтез(слияние)
- 6) неупругое рассеяние: (л, л ’)
- 7) упругое рассеяние: (л, л)
//. По признаку выделения или поглощения энергии
- 1) экзотермические реакции
- 2) эндотермические реакции
III. По энергии бомбардирующих частиц
- 1) малых энергий (
- 2) средних энергий (1 кэВ-10 МэВ)
- 3) высоких энергий (> 10 МэВ)
IV. По массе бомбардируемых ядер
- 1) на легких ядрах {А 50)
- 2) на ядрах средних масс (50 А
- 3) на тяжелых ядрах (А > 100)
V По виду бомбардирующих частиц
- 1) на заряженных частицах (/;, с!,а и более тяжелые ионы)
- 2) на нейтронах
- 3) на фотонах (фотоядерные реакции)
- При упругом рассеянии частицы нс претерпевают каких-либо внутренних изменений, и нс появляетсяновых частиц. Имеет место лишь перераспределение энергии и импульса между ними. При неупругомрассеянии наряду с таким обменом происходит изменение внутреннего состояния хотя бы одной изчастиц.
- Об ускорителях заряженных частиц см. Лекцию 15.
- d - принятый символ для дейтрона, ядра атома дейтерия.
6.1 Классификация ядерных реакций и их общие закономерности.
Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия ядерного ядра с другими ядрами или элементарными частицами, в результате, которого происходит преобразование ядра.
В общем виде ядерную реакцию записывают в следующей форме:
где через 
обозначены атомные ядра, а малыми буквами обозначены элементарные частицы или легкие ядра (например, ядро гелия). Процесс (6.1) может идти, вообще говоря, различными конкурирующими способами:
. (6.2)
Начальный этап ядерной реакции называется входным каналом.
Результат ядерной реакции называют выходным каналом
. Среди выходных каналов имеются каналы неупругого 
и упругого 
рассеяния. В данных процессах продукты реакции совпадают с частицами, вступающими в реакцию. В процессе неупругого рассеяния меняется внутреннее состояние ядра.
Ядерные реакции можно классифицировать по различным признакам. 1. По виду налетающих на ядро частиц ядерные реакции делятся на: реакции, протекающие под действием нейтронов, заряженных частиц и 
- квантов. Реакции под действием - квантов идут не за счет ядерного взаимодействия, а за счет электромагнитного взаимодействия. Поскольку такие взаимодействия происходят на малых расстояниях и приводят к преобразованию ядра их принято относить к ядерным реакциям. 2. В зависимости от механизма протекания ядерные реакции делятся на: реакции, протекающие с образованием промежуточного ядра, и на реакции прямого взаимодействия. 3. С энергетической точки зрения ядерные реакции делятся на реакции идущие с выделением энергии (экзотермические
) и с поглощением энергии (эндотермические
).
Протекание ядерных реакций сопровождается рядом законов сохранения. Во всех ядерных реакциях сохраняется электрический заряд: суммарный электрический заряд частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному электрическому заряду, образующихся частиц в реакции. Если ядерная реакция протекает без образования античастиц, то сохраняется полное число нуклонов. Нуклонам (протон, нейтрон) приписывается барионный заряд , равный +1. Барионный заряд помимо нуклонов имеют и другие тяжелые частицы – барионы . Для антинуклонов и антибарионов принимают барионный заряд, равный минус единице. Согласно данному определению во всех ядерных реакциях сохраняется барионный заряд. Очевидно, что барионный заряд ядра совпадает с его массовым числом.
В отсутствии слабого взаимодействия, а именно к таким процессам относятся ядерные реакции, идущие под управлением ядерного и электромагнитного взаимодействий, должен выполняться закон сохранения четности. Для ядерной реакции вида (6.1) закон сохранения четности записывается как
Здесь 
- внутренние четности частиц, 
- орбитальные моменты соответствующих пар частиц.
В ядерных реакциях, обусловленных только сильным взаимодействием, сохраняется изоспин: суммарный изоспин частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному изоспину частиц, образующихся частиц. В реакциях с участием электромагнитного взаимодействия сохраняется проекция изоспина.
Законы сохранения накладывают определенные запреты на протекание ядерных реакций и позволяют определять возможности протекания ядерных реакций.
6.2 Законы сохранения энергии и импульса в ядерных реакциях.
Рассмотрим реакцию типа (6.1). Закон сохранения для реакции данного вида имеет следующую форму:
,
. (6.4)
Здесь 
- энергии покоя, 
- кинетические энергии исходных и конечных частиц, соответственно.
Закон сохранения импульса имеет вид:
. (6.5)
В системе отсчета, где ядро-мишень покоится (лабораторная система – ЛС), следует положить 
. В системе центра инерции (СЦИ) следует взять 
.
Энергией реакции называется величина
Если 
(энергия выделяется), то реакция называется экзоэнергетической
(экзотермической). Если 
(энергия поглощается), то реакция называется эндоэнергетической
(эндотермической). Для упругого рассеяния 
.
Экзотермические реакции и реакции упругого рассеяния могут протекать при любой кинетической энергии налетающей на ядро частицы (для заряженной частицы эта энергия должна превышать кулоновский барьер ядра). Эндотермические реакции возможны только в том случае, когда налетающая частица обладает достаточно большой энергией. Эта энергия должна превышать пороговую энергию реакции
. Пороговой энергией реакции называется минимальная кинетическая энергия сталкивающихся частиц (минимальная кинетическая энергия налетающей частицы, если ядро-мишень покоится), при которой реакция становится возможной. При этом значение имеет кинетическая энергия относительного движения частиц. Поясним это. Пусть две частицы движутся относительно друг друга. В ЛС, где одна из частиц (например, вторая) покоится, 
. При этом центр инерции системы движется в ЛС, и система обладает кинетической энергией: 
- в нерелятивистском случае, которая не играет роли для протекания реакции. Для протекания эндотермической реакции необходимо, чтобы кинетическая энергия относительного движения частиц была не меньше 
. Т.е. пороговая энергия определяется равенством:
. (6.7)
По определению пороговая энергия:
. (6.8)
Из формул (6.7) и (6.8) находим:
. (6.9)
Из формулы (6.9) следует, что пороговая энергия превышает энергию реакции. Выбирая в качестве покоящейся частицы ядро-мишень, окончательно получим:
. (6.10)
Рассмотрим обобщение формулы (6.10) на релятивистский случай. В данном случае будем использовать систему единиц, в которой 
. Согласно релятивистской механике импульс и энергия образуют 4- импульс 
. Квадрат четырех мерного импульса является инвариантом и равен квадрату массы частицы:
Для системы невзаимодействующих частиц энергия и импульс каждой частицы сохраняются. Следовательно, сохраняется 4- импульс каждой частицы. Полный 4- импульс системы в данном случае:
Поскольку 4- импульсы отдельных частиц сохраняются, то сохраняется и полный 4- импульс системы. В согласии с релятивистской теорией введем квадрат массы системы, равный квадрату ее 4- импульса:
. (6.13)
Последняя формула справедлива как для системы невзаимодействующих частиц, так и для системы взаимодействующих частиц. Однако для системы взаимодействующих частиц вычислять 4- импульс по формулам (6.12) уже нельзя.
В ядерной физике при рассмотрении ядерных реакций считаем, что частицы, вступающие в реакцию, до взаимодействия находятся друг от друга на больших расстояниях и их можно считать свободными. После взаимодействия, образующиеся в реакции частицы, разлетаются на большие расстояния и могут считаться свободными. Закон сохранения 4- импульса гласит, что 4- импульс системы до взаимодействия равен 4- импульсу системы после взаимодействия, т.е.
. (6.14)
Из формул (6.14) и (6.13) следует, масса системы частиц не меняется:
. (6.15)
Пусть ядро 
покоится в ЛС, частица массы 
налетает на ядро. Квадрат 4- импульса системы до взаимодействия частиц:
Вычислим теперь 4- импульс системы частиц после взаимодействия в СЦИ и воспользуемся свойством инвариантности квадрата 4- импульса. Пороговой энергии отвечает ситуация, когда образующиеся частицы в СЦИ покоятся. Таким образом, в СЦИ:
Импульс налетающей частицы выразим через ее энергию:
Энергия реакции в согласии с первым равенством формулы (6.6):
Из двух последних формул следует:
. (6.20)
Формула (6.20) является релятивистским обобщением формулы (6.10).На самом деле, в нерелятивистском случае энергия много меньше энергии покоя (массы) каждой из частиц, участвующих в реакции. В этом случае последним слагаемым в скобках формулы (6.20) можно пренебречь, и мы переходим к формуле (6.10). В нерелятивистском случае пороговая энергия пропорциональна энергии реакции. В релятивистском случае она квадратично зависит от энергии реакции и может значительно ее превосходить.
Формула (6.18) может быть обобщена на случай, когда в процессе взаимодействия двух исходных частиц образуются 
частиц:
. (6.21)
Рассмотрим реакцию
в которой образуется пара нейтрон – антинейтрон. Считая массу каждой частицы равной массе нуклона 
, по формуле (6.21) находим пороговую энергию: 
5,8 ГэВ. Данная энергия в три раза превышает энергию реакции 
.
В качестве примера использования формулы (6.10) приведем реакцию:
.
Из первого равенства формулы (6.6) находим энергию реакции: 
МэВ. Далее по формуле (6.10) находим порог реакции:
МэВ.
6.3 Закон сохранения момента импульса.
В ядерных реакциях сохраняются суммарный момент количества движения взаимодействующих частиц и его проекция на выбранное направление.
Рассмотрим реакцию вида (6.1). Для нее закон сохранения момента имеет следующий вид:
, (6.22)
Здесь через 
обозначены спины соответствующих частиц, 
- орбитальные моменты соответствующих пар частиц, характеризующие их относительное движение.
Все векторы, входящие в формулу (6.23) являются квантовомеханическими. Они обладают следующими особенностями. Кавнтовомеханический вектор 
одновременно может иметь определенные значения квадрата модуля 
и одной из его проекций 
на выделенное направление 
. При этом проекция вектора может принимать одно из следующих значений: , всего 
значений, отвечающих различной ориентации вектора в пространстве. Сумма двух векторов 
является неоднозначной, и кантовое число вектора суммы может иметь значения: , всего 
значений, где 
- минимальное значение из 
. Учет этих особенностей приводит к определенным правилам отбора. Выше, в частности, были рассмотрены правила отбора для радиоактивных распадов.
6.4 Механизмы протекания ядерных реакций.
В случае рассмотрения структуры и свойств ядер в силу трудности их точного описания прибегают к построению ядерных моделей, на основе которых объясняются те или иные свойства ядер. При описании ядерных реакций возникает аналогичная проблема. Как и в случае ядер, здесь используют различные модели, которые называют механизмами реакции . Существует множество различных механизмов. Далее будут описаны три основных механизма ядерных реакций: 1) механизм составного ядра, 2) механизм прямых реакций, 3) механизм деления тяжелых ядер.
6.4.1 Механизм составного ядра.
Механизм составного ядра используется для реакций, время протекания которых 
значительно превосходит характерное ядерное время
с - время пролета частицы через ядро. Согласно данному механизму реакция протекает в два этапа:
На первом этапе образуется составное промежуточное ядро (компаунд ), которое существует достаточно длительное время в возбужденном состоянии. Это ядро имеет вполне определенные характеристики (масса, заряд, спин и др.). На втором этапе промежуточное ядро распадается на продукты реакции.
Для данного механизма реакции значительную роль играет большое время жизни промежуточного ядра. Существует несколько причин, за счет которых промежуточное ядро может быть долгоживущим. 1. Энергия возбуждения (энергия связи частицы 
в ядре 
и ее начальная кинетическая энергия) распределяется между всеми частицами ядра. В результате такого перераспределения энергии ни одна из частиц не обладает достаточной энергией, чтобы вылететь из ядра. Для распада промежуточного ядра необходима обратная концентрация энергии на какой-либо частице или группе частиц. Такой процесс носит флуктуационный характер и имеет малую вероятность. 2. Вылет частицы из промежуточного ядра, в свою очередь, может быть значительно усложнен и за счет определенных правил отбора. 3. Снятие возбуждения промежуточного ядра может произойти за счет - излучения. Этот процесс снятия возбуждения сопровождается перестройкой ядра, которая требует длительного времени.
Характерной особенностью промежуточного ядра является то обстоятельство, что его распад не зависит от того, каким образом произошло образование ядра. Это позволяет рассматривать два этапа реакции независимо друг от друга. Вероятность распада промежуточного ядра:
, (6.25)
где 
- полная ширина
. Поскольку промежуточное ядро может распадаться по различным каналам (испускание - излучения, протона, нейтрона и др.), то вероятность распада можно представить в виде суммы парциальных вероятностей, характеризующих распад по одному из возможных каналов:
Относительные вероятности распада промежуточного ядра по данному каналу: 
, где 
- парциальная ширина
, согласно механизму промежуточного ядра не зависят от способа его образования. Заметим, что полная и парциальные ширины имеют размерность энергии.
Энергия возбуждения промежуточного ядра имеет дискретный спектр, т.е. может принимать только определенные значения. Энергия устойчивого основного состояния квантовой системы со временем жизни 
строго определена. Это следует из принципа неопределенностей. В этом случае энергетическое состояние ядра описывается 
- функцией (рис. 6.1) с шириной 
. Данное состояние называется стационарным.
Возбужденные состояния промежуточного ядра с энергией возбуждения меньше энергии отделения какой-либо частицы и, для которых - излучение запрещено, обладают очень большим временем жизни и, соответственно, очень малой шириной уровня . Такие состояния называются метастабильными
. Метастабильные состояния с хорошей степенью точности могут быть описаны - функцией. Времена жизни возбужденных состояний промежуточного ядра, если они не являются метастабильными, составляют порядка 10 -12 с и меньше (эти времена велики по сравнению с характерным ядерным временем, но малы по сравнению со временем жизни метастабильных состояний). Такие состояния характеризуются достаточно большой шириной и называются квазистационарными
. Вероятность того, что система в таком состоянии имеет энергию 
, описывается дисперсионным распределением:
. (6.27)
Данное распределение показано на рис. 6.2.
Рис. 6.1 Рис. 6.2
Составное ядро в возбужденном квазистационарном состоянии образуется в том случае, если энергия налетающей частицы попадает в интервал неопределенности энергии состояния. Если ширина уровней много меньше среднего расстояния 
между соседними уровнями, то при фиксированной энергии налетающих частиц реакция будет протекать через одиночный уровень. Реакция такого типа называется резонансной.
С ростом энергии возбуждения энергетические уровни сильно сгущаются, и начинает выполняться неравенство 
. Энергетические уровни перекрывают друг друга и реакция может идти при любых энергиях налетающих частиц, начиная с некоторого значения. Такие реакции называются нерезонансными
.
Характерной особенностью резонансных реакций является угловое распределение продуктов реакций, которое в СЦИ симметрично относительно плоскости перпендикулярной импульсу налетающей частицы (симметрия вперед – назад ) (рис.6.3). В случае нерезонансных реакций угловое распределение продуктов реакций в СЦИ изотропно (рис. 6.4).
0 90 180 0 90 180
Рис. 6.3 Рис. 6.4
6.4.2 Механизм прямых реакций. Прямой реакцией называется реакция, которая протекает за очень малые времена (порядка характерного ядерного времени). Прямые реакции протекают при сравнительно высоких энергиях (порядка 10 МэВ и больше).
Особенности прямых реакций следующие. 1. Падающая частица, например нуклон, передает почти всю свою энергию непосредственно какому - либо вылетающему фрагменту ядра – нуклону, 
- частице. Вылетающие частицы обладают, следовательно, большой энергией. 2. При этом угловое распределение продуктов реакции носит резко выраженный анизотропный характер. Частицы вылетают из ядра преимущественно в направлении импульса налетающей частицы. 3. Вероятности вылета из ядра протонов и нейтронов одинаковы, поскольку при больших энергиях вылетающих частиц наличие кулоновского барьера является несущественным.
Существует большое многообразие прямых ядерных реакций. Кратко остановимся на следующих реакциях: реакции неполного проникновения дейтрона в ядро, реакции срыва и реакции подхвата .
В качестве налетающей частицы возьмем дейтрон, который представляет собой слабо связанное образование протона и нейтрона (энергия связи 2,23 МэВ). В процессе реакции неполного проникновения дейтрон поляризуется кулоновскими силами с разрывом на протон и нейтрон, нейтрон передается ядру («зацепляется» за ядро), а протон продолжает свое движение, не попадая в ядро и практически не меняя направления движения.
Реакция срыва наблюдается при нецентральных соударениях дейтрона и ядра-мишени. Протон и нейтрон в дейтроне находятся на больших расстояниях друг от друга и основную часть времени проводят вне радиуса действия связывающих их сил (одна из особенностей дейтрона). В момент взаимодействия дейтрона с ядром-мишенью протон и нейтрон дейтрона из-за наличия большого расстояния между ними могут оказаться в разных условиях. Один из нуклонов может оказаться в поле действия ядерных сил ядра и будет им захвачен. Второй нуклон, находящийся вне поля ядра, не захватывается ядром и пролетает мимо ядра.
Реакция подхвата состоит в том, что налетающее ядро, пролетая мимо ядра-мишени, подхватывает один из нуклонов ядра-мишени и уносит его.
Заметим, что процесс обмена нуклонами между дейтроном и ядром-мишенью запрещен законом сохранения изотопического спина. Процесс взаимного обмена нуклонами возможен для случаев, когда налетающая частица представляет собой сложное ядро.
6.4.3 Деление тяжелых ядер. Делением ядра называется процесс его превращения в нескольких ядер, которые сравнимы по массе. Различают спонтанное и вынужденное деление ядер. Спонтанное деление является самопроизвольным процессом и относится к радиоактивным превращениям ядер. Вынужденное деление ядер происходит под действием частиц, обычно нейтронов.
Перечислим основные свойства деления ядер.
1. Деление тяжелых ядер сопровождается выделением большой энергии. Это следует из сравнения масс исходного ядра и образующихся ядер:
, (6.28)
где - масса делящегося ядра, 
- массы образующихся ядер. Пусть исходное ядро делится под действием нейтрона на два осколка. Массы ядер вычисляются по формуле:
где 
- энергия связи на один нуклон. С учетом того, что
подставив (6.29) в формулу (6.28), получим:
, (6.30)
(6.31)
Средняя энергия связи ядер-осколков на один нуклон. Поскольку, величина для ядер из середины периодической таблицы элементов больше, чем для тяжелых ядер (
), то 
и .
2. Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков. Это объясняется тем, что между образующимися в результате деления ядрами действуют большие силы кулоновского отталкивания.
3. Ядра-осколки являются 
- радиоактивными и могут испускать нейтроны. Ядра-осколки образуются из тяжелых ядер, для которых 
, и оказываются «перегруженными» нейтронами. Такие ядра являются 
- радиоактивными. Вследствие данного эффекта незначительная часть энергии деления выделяется в виде энергии - распада.
4. В процессе деления часть избыточных нейтронов может непосредственно вылететь из ядер (вторичные нейтроны ) и унести с собой часть энергии реакции деления.
Условие и является необходимым условием для процесса деления ядра, но не всегда является достаточным. Если бы данное условие являлось не только необходимым, но и достаточным, то процесс деления наблюдался бы для всех ядер, начиная с 
. Однако процесс деления обнаружен только для небольшого ряда тяжелых ядер (торий, протактиний, уран). Рассмотрим данную проблему на основе капельной модели ядра.
Будем считать, что исходное ядро находится в основном состоянии, имеет сферическую форму и делится на два осколка. После деления ядерные осколки расходятся на большое расстояние и их энергию, будем считать равной нулю: 
, где 
- поверхностная энергия и 
- кулоновская энергия ядер осколков. Заменим мысленно процесс деления ядра на обратный ему процесс слияния ядер осколков. Данный процесс схематически показан на рис. 6.5.
Рис. 6.6
При сближении осколков деления до их соприкосновения их энергия связи будет
, (6.32)
где 
, 
- радиусы ядер осколков. Энергия ядра до деления (6.30) (рис. 6.6) меньше величины . Следует ожидать, что данный кулоновский барьер препятствует процессу деления ядра.
Предположим, что исходное ядро переходит из основного состояния в возбужденное состояние, например в результате захвата им нейтрона. В результате захвата ядро деформируется без изменения объема и приходит в колебательное движение. В зависимости от энергии возбуждения возможны два случая.
Если энергия возбуждения мала, то ядро совершает колебательные движения, при которых его форма переходит из сферической в эллипсоидальную и обратно. Переход от эллипсоидальной формы к сферической осуществляется под действием сил поверхностного натяжения ядра.
При большой энергии возбуждения ядро деформируется, принимая форму сильно вытянутого эллипсоида, между полюсами которого действуют достаточно большие силы кулоновского отталкивания. Если при этом кулоновские силы оказываются больше сил поверхностного натяжения, которые стремятся вернуть ядро к первоначальной форме, то ядро продолжает деформироваться и в конечном итоге разрывается на два осколка. Под действием сил поверхностного натяжения осколки принимают сферическую форму, а под действием сил кулоновского отталкивания между ними осколки расходятся на большое расстояние.
Рассмотрим, как меняется энергия ядра при его возбуждении. Поверхностная энергия вначале возрастает за счет увеличения площади поверхности ядра. Кулоновская энергия вначале процесса деления в силу малости деформации практически не меняется (рис. 6.7). При дальнейшей деформации рост поверхностной энергии замедляется и приближается к постоянному значению, равному сумме поверхностных энергий ядер-осколков. Кулоновская энергия при этом уменьшается (рис.6.7). Кривая изменения энергии ядра принимает вид, показанный на рис. 6.8.
Рис. 6.7
Разность между энергией исходного невозбужденного ядра и максимальной энергией возбужденного ядра 
называется энергией активации
. Разность между энергией невозбужденного ядра и суммой энергий осколков на большом расстоянии между ними является энергией реакции.
Рис. 6.8
Из рисунка 6.8 видно, для того чтобы исходное ядро разделилось ему необходимо сообщить энергию возбуждения больше энергии активации. При этом выделяющаяся в процессе деления энергия
(6.33)
может быть положительной.
Рассмотрим возможность спонтанного деления ядер. Ядро может самопроизвольно развалиться из основного состояния на осколки за счет туннельного эффекта. Вероятность такого эффекта зависит от масс образующихся осколков. Так как массы осколков велики, то вероятность такого деления оказывается мала. Механизм данного спонтанного деления подобен механизму - распаду. В силу малости массы - частицы - распад более вероятен.
По мере перехода к все более тяжелым ядрам высота потенциального барьера уменьшается, и вероятность спонтанного деления увеличивается. При уменьшении энергии активации до нуля (отсутствии потенциального барьера) спонтанное деление переходит в мгновенное деление. Мгновенно делящемуся ядру на рис. 6.8 отвечает жирная штрих-пунктир линия.
6.5 Деление ядер под действием нейтронов. Цепные ядерные реакции.
Реакции деления ядер под действием нейтронов сопровождаются появлением вторичных нейтронов. Эти нейтроны могут быть использованы в дальнейшем для деления других ядер. Поскольку в процессе деления выделяется энергия, то данный процесс имеет большое значение для практических целей.
Если в одном акте деления ядра возникают два нейтрона, то оказывается возможным осуществить в дальнейшем деление двух других ядер, в результате которого появятся четыре нейтрона, которые могут разделить в свою очередь четыре ядра с образованием восьми нейтронов и т.д. В итоге развивается лавинообразный процесс – цепная ядерная реакция . Описанный выше процесс является идеальным, т.к. в силу различных обстоятельств не каждый вторичный нейтрон принимает участие в цепной реакции. Вторичные нейтроны могут выбыть из реакции за счет неупругого рассеяния, радиационного захвата и по другим причинам. Такие побочные эффекты существенным образом влияют на ход реакции и могут привести к ее затуханию.
Для протекания реакции необходимо, чтобы число нейтронов в данном поколении было не меньше числа нейтронов в предыдущем поколении. Отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения называется коэффициентом размножения k . Если k k=1 реакция протекает при постоянной мощности. Наконец, при k >1 мощность реакции возрастает.
Существенное влияние на протекание цепной реакции оказывают параметры установки (ядерного реактора). Количество вылетающих нейтронов пропорционально площади поверхности установки, количество образующихся нейтронов ее объему. Отношение 
при уменьшении размеров установки возрастает. При этом увеличивается число нейтронов вылетающих через поверхность установки. Эти нейтроны выходят из цепного ядерного процесса. Таким образом, существуют минимальные параметры установки, при которых число нейтронов, покидающих установку через ее поверхность, становится достаточно велико, и цепная реакция становится невозможной даже при выполнении других условий необходимых для протекания реакции. Минимальные размеры установки, при которых цепная реакция становится невозможной, называются критическими размерами
. Минимальная масса ядерного делящегося вещества (например, урана) называется критической массой
.
Интенсивность протекания реакции деления зависит от энергии нейтронов и от сорта делящихся ядер. Нейтроны с энергиями от 0,025 до 0,5 эВ называются тепловыми
, с энергиями от 0,5 эВ до 1 КэВ – резонансными
, с энергиями от 1 КэВ до 100 КэВ – промежуточными
, наконец, нейтроны с энергиями от 100 КэВ до 14 МэВ называются быстрыми
. Под действием быстрых нейтронов делятся практически все ядра (легкие, промежуточные и тяжелые). Под действием нейтронов с энергией в несколько МэВ делятся только тяжелые ядра, начиная примерно с 
=200. Некоторые тяжелые ядра могут делиться под действием нейтронов любой энергии, в том числе тепловыми нейтронами. К таким ядрам относятся изотопы урана 
, изотоп плутония 
и некоторые изотопы трансурановых элементов. Изотоп урана 
делится только под действием быстрых нейтронов. С энергетической точки зрения наиболее выгодны реакции деления тяжелых ядер под действием тепловых нейтронов.
Относительная вероятность деления ядер под действием нейтронов с энергиями 2-6 МэВ составляет примерно 0,2, относительная вероятность других процессов (неупругое рассеяние, радиационный захват) составляет 0,8. Таким образом, 4/5 быстрых нейтронов выбывают из реакции. Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы в единичном акте деления возникало не менее пяти вторичных нейтронов с энергией больше 1 МэВ. Поскольку реально число вторичных нейтронов 2-3, а их энергия обычно меньше 1 МэВ, то задача об осуществлении цепной реакции деления урана становится практически невыполнимой.
Уран 
делится под действием тепловых нейтронов. Для него неупругое рассеяние нейтронов не является принципиальным. Роль резонансного захвата медленных нейтронов сравнительно мала. Это делает возможным проведение цепной реакции на чистом изотопе .
В природной смеси изотопов урана изотоп составляет всего 1/140 часть. Однако, несмотря на то, что в случае тепловых нейтронов только 1/140 часть ядер участвует в процессе деления, а в процессе резонансного захвата участвуют все ядра урановой смеси, в тепловой области вероятность деления сравнима с вероятностью резонансного рассеяния. Отсюда возникает возможность проведения цепной реакции на базе без предварительного выделения его из смеси.
Для уменьшения вероятности резонансного захвата можно использовать метод обогащения природного урана изотопом и метод замедления быстрых нейтронов на различных замедлителях – веществах, чья масса ядер сравнима с массой нейтрона. Наиболее эффективным оказывается второй метод. Нейтроны в данном случае испытывают упругие соударения с ядрами замедлителя, передавая им часть своей энергии и постепенно превращаясь в тепловые нейтроны.
Количественно процесс реакции характеризуется коэффициентом размножения
, (6.34)
где 
- коэффициент размножения нейтронов бесконечной средой (реактора бесконечно больших размеров), 
- вероятность избежания утечки нейтронов – вероятность того, что нейтрон не покидает пределов реального реактора. Коэффициент
) вторичных нейтронов, которые вылетают из ядер через большой промежуток времени – от нескольких долей секунды до нескольких секунд. Такие нейтроны называются запаздывающими.
Если коэффициент размножения нейтронов 
оказывается не больше 1,0064, то с учетом того, что 0,64% нейтронов являются запаздывающими, реакция не может идти только благодаря мгновенным нейтронам. Наряду с мгновенными нейтронами необходимо учитывать запаздывающие нейтроны. Учет запаздывающих нейтронов для среднего времени жизни одного поколения дает 
с. Взяв значения 
и 
=0,1, найдем, что за 1 с число нейтронов возрастает всего в 1,05 раза. Такое медленное нарастание интенсивности реакции позволяет сравнительно просто ей управлять.
6.6 Термоядерные реакции. Управляемый термоядерный синтез.
Наряду с реакциями деления тяжелых ядер, при которых освобождается энергия, существуют реакции синтеза легких ядер. Как и реакции деления, они идут с выделением энергии:
, (6.39)
где - суммарное массовое число сливающихся ядер, 
- среднее значение их удельной энергии связи, - удельная энергия связи более тяжелого ядра. Выделяющаяся энергия на один нуклон при ядерном синтезе обычно превосходит энергию деления. Примером реакции синтеза может служить реакция
, (6.40)
При этом для осуществления реакции требуется достаточно большая энергия сталкивающихся частиц для преодоления кулоновского барьера (около 0,1 МэВ).
Основной задачей термоядерного синтеза является задача о том, как сделать такие реакции самоподдерживающимися. В первую очередь необходимо, чтобы сталкивающиеся ядра имели большую кинетическую энергию. Для этого необходим разогрев смеси реагирующих ядер до температур порядка сотни миллионов градусов. При данных температурах вещество представляет собой полностью ионизованную плазму. Отсюда возникает следующая задача об удержании долгоживущей высокотемпературной плазмы в течение достаточно большого времени. Первая задача решается на основе получения ядер большой энергии за счет тепла самой реакции. Из-за высокой температуры плазму необходимо изолировать от стенок реактора. Для осуществления удержания плазмы используется метод ее термоизоляции за счет магнитных полей, в частности идея применения пинч-эффекта – поперечное сжатие плазмы при прохождении через нее электрического тока. В третьих, плазма должна иметь большую плотность. Это связано с тем, что быстрые электроны плазмы теряют энергию в результате тормозного и синхротронного излучения. Для компенсации этих потерь и получения выигрыша в энергии необходимо создать плазму большой плотности.
Для того чтобы энерговыделение реакции термоядерного синтеза превышало потребляемую мощность необходимо выполнение критерия Лоусона
. Критерием Лоусона является определенное сочетание параметра удержания 
, где - число ядер в 1 см 3 , - время удержания плазмы в секундах, и температуры 
. Для чисто дейтериевой плазмы 
и 
.
Для осуществления выполнения критерия Лоусона возможны несколько путей. Первая задача получения высокотемпературной плазмы может решаться на основе следующих механизмов: 1) Пропускание электрического тока через плазму. Нагрев происходит за счет джоулева тепла. Данный механизм нагрева используется в начальной стадии до нагрева плазмы до 10 7 градусов. 2) Сжатие плазмы электродинамическими силами при прохождении через нее тока. В данном случае за счет быстрого сжатия (пинч-эффект) происходит адиабатическое нагревание плазмы. 3) Нагрев плазмы высокочастотным электромагнитным полем. 4) Нагрев интенсивным лазерным излучением и др.
Вторая задача – задача удержания плазмы. Рассмотрим наиболее перспективный метод управляемого термоядерного синтеза – метод магнитного удержания плазмы. Составными частями плазмы являются ионы и электроны, несущие электрический заряд. При помещении плазмы в магнитное поле 
заряженные частицы плазмы будут двигаться по спиральным линиям, которые «навиты» на силовые линии магнитного поля. При достижении определенной величины токов становятся возможны такие силы сжатия плазмы, которые достаточны для преодоления давления плазмы и отжатия ее от стенок камеры. Для удержания плазмы, таким образом, необходимо, чтобы выполнялось условие
. (6.41)
Это условие достижимо при 
см -3 .
Первоначально для получения высокотемпературной плазмы использовали разряд батареи конденсаторов большой емкости. Разрядный ток порождает магнитное поле, которое удерживает и нагревает плазму за счет ее сжатия. Возникает плазменный «шнур», который удерживается текущим через него током (рис. 6.9).
Вакуум
Вакуум
Рис. 6.9
Методом сжатия плазмы электродинамическими силами удается получить плазму с температурой 
и плотностью 10 12 -10 13 см -3 . Однако здесь возникает проблема неустойчивости плазмы. Первоначально возникший плазменный «шнур» оказывается крайне неустойчивым к его деформациям (перетяжкам и изгибам). Возникнув, такие деформации под действием внутренних сил экспоненциально нарастают и за короткое время (порядка микросекунд) приводят плазму в соприкосновение со стенками камеры. За такое короткое время не успевает выделиться достаточное количество энергии для поддержания температуры, и самоподдерживающийся процесс оказывается невозможным. Для решения данной проблемы использовались различные конструкции установок. В частности, были использованы рабочие камеры тороидальной формы с комбинированными магнитными полями. Такие установки получили название токамаков. На установках данного вида удается получить плазму с температурой 10 7 градусов, плотностью 10 10 см -3 и сохранять ее в течение нескольких сотен долей секунды. Эти параметры близки к параметрам Лоусона.
В настоящее время установки типа токамаков являются наиболее перспективными для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Неуправляемый термоядерный синтез осуществляется на Солнце и может быть осуществлен в виде взрыва водородной бомбы (нестационарная самоподдерживающаяся термоядерная реакция, иницииорованная атомным взрывом).
Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с у-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
где X и У - исходное и конечное ядра, а и Ь - бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения зарядовых и массовых чисел: сумма зарядовых (массовых ) чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых (массовых) чисел конечных продуктов (ядер и частиц) реакции . Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.
В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).
Важную роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:
Первая стадия - это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 2 10 15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон - ядро тяжелого изотопа водорода - дейтерия, содержащее один протон и один нейтрон) или сх-частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате возможна вторая стадия ядерной реакции - распад составного ядра на ядро У и частицу Ь.
Классификация ядерных реакций
По роду участвующих в реакциях частиц:
- реакции под действием нейтронов;
- реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, (Х-частиц).
По энергии вызывающих реакции частиц:
- реакции при малых энергиях (порядка эВ), происходящие в основном с участием нейтронов;
- реакции при средних энергиях (несколько МэВ), происходящие с участием уквантов и заряженных частиц;
- реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения.
По роду участвующих в реакциях ядер:
- реакции на легких ядрах (А 50);
- реакции на средних ядрах (50 А
- реакции на тяжелых ядрах (А > 150).
По характеру происходящих ядерных превращений:
- реакции с испусканием нейтронов;
- реакции с испусканием заряженных частиц. Первая в истории ядерная реакция (Резерфорд; 1919)
Большую роль в развитии представлений о структуре ядер
сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и
четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек.
Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами
позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми
моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило
одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер
образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в
значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях
с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы
β-стабильности.
Ядра, удаленные от полосы β-стабильности,
отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным
взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов,
существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в
новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и
рядом других специфических особенностей атомных ядер.
При анализе ядерных реакций необходимо учитывать
волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса
взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так
для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны
меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина
дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0.1 МэВ длина
волны
больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией
<< 0.1
МэВ сечение реакции
~π 2
гораздо больше, чем характерный размер площади ядра
πR.
Ядерные реакции являются эффективным методом
исследования ядерной динамики. Ядерные реакции происходят при взаимодействии
двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом
между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц,
разлетающихся из области взаимодействия. В результате ядерной реакции происходит
сложный процесс перестройки атомного ядра. Как и при описании структуры ядра,
при описании ядерных реакций практически невозможно получить точное решение
задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными
моделями, протекание ядерной реакции описывается различными механизмами реакций.
Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов – от типа
налетающей частицы, типа ядра-мишени, энергии налетающей частицы и от ряда
других факторов. Одним из предельных случаев ядерной реакции является
прямая ядерная реакция
. В этом случае налетающая частица
передаёт энергию одному-двум нуклонам ядра, и они покидают ядро, не
взаимодействуя с другими нуклонами ядра. Характерное время протекания прямой
ядерной реакции
10 -23
с. Прямые ядерные реакции идут на всех ядрах при любой энергии налетающей
частицы. Прямые ядерные реакции используются для изучения одночастичных
состояний атомных ядер, т.к. продукты реакции несут информацию о положении
уровней, из которых выбивается нуклон. С помощью прямых ядерных реакций была
получена детальная информация об энергиях и заполнении одночастичных состояний
ядер, которая легла в основу оболочечной модели ядра. Другим предельным случаем
являются реакции, идущие через образование составного
ядра
.
Описание механизма ядерных реакций было дано в работах В.Вайскопфа.
В.Вайскопф:
«Что происходит, когда частица входит в ядро и сталкивается с одной из ядерных
составных частей? Рисунок иллюстрирует некоторые из этих возможностей.
1) Падающая частица теряет часть своей энергии,
поднимая ядерную частицу в более высокое состояние. Это будет результатом
неупругого рассеяния, если падающая частица остается с энергией, достаточной для
того, чтобы снова покинуть ядро.
Этот процесс называют прямым неупругим рассеянием, поскольку он предполагает
рассеяние только на одной составной части ядра.
2) Падающая частица передает энергию коллективному движению, как
это символически показано на второй схеме рисунка, это также является прямым
взаимодействием.
3) На третьей схеме рисунка переданная энергия достаточно велика
для того, чтобы вырвать нуклон из мишени. Этот процесс также дает вклад в прямую
ядерную реакцию. В принципе он не отличается от 1), он соответствует «обменной
реакции».
4) Падающая частица может потерять так много энергии, что
остается связанной внутри ядра, переданная энергия может быть принята
низколежащим нуклоном таким образом, что он не сможет оставить ядро. Мы получаем
тогда возбужденное ядро, которое не может испустить нуклон. Это состояние с
необходимостью приводит к дальнейшим возбуждениям нуклонов внутренними
столкновениями, в которых энергия на возбужденную частицу в среднем убывает, так
что в большинстве случаев нуклон не может покинуть ядро. Следовательно, будет
достигнуто состояние с очень большим временем жизни, которое может распасться
только в том случае, когда одна частица при столкновениях внутри ядра случайно
приобретет достаточную энергию для того, чтобы покинуть ядро. Такую ситуацию мы
называем образованием компаунд-ядра. Энергия может быть потеряна также
излучением, после которого вылет частицы становится энергетически невозможным:
падающий нуклон испытает радиационный захват.
5) Образование компаунд-ядра может осуществляться в два или
более шагов, если после процесса типа 1) или 2) падающий нуклон на своем пути
ударяет другой нуклон и возбуждает его таким образом, что вылет из ядра
оказывается невозможным для любого нуклона».
Впервые представление о протекании ядерной реакции через стадию составного ядра было высказано Н.Бором. Согласно модели составного ядра, падающая частица после взаимодействия с одним или двумя нуклонами ядра передаёт ядру большую часть своей энергии и оказывается захваченной ядром. Время жизни составного ядра гораздо больше, чем время пролёта налетающей частицы через ядро. Внесенная налетающей частицей в ядро энергия перераспределяется между нуклонами ядра до тех пор, пока значительная её часть не сосредоточится на одной частице и тогда она вылетает из ядра. Образование долгоживущего возбужденного состояния может в результате деформации привести к его делению.
Н. Бор: «Явление захвата нейтронов заставляет нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжелым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы встречаемся здесь с существенной разницей, ранее еще нераспознанной, между настоящими ядерными реакциями – обычными соударениями быстрых частиц и атомных систем – соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счета посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств обязаны, прежде всего, «открытости» рассматриваемых систем, которая делает весьма маловероятными обмен энергии между отдельными составляющими частицами в продолжение удара. Однако вследствие тесной упаковки частиц в ядре, мы должны быть готовы к тому, что именно этот обмен энергии играет основную роль в типичных ядерных реакциях».
Классификация ядерных реакций. Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер. Если длина волны налетающей частицы больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в целом. Если меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам.
- Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно большой массы (протоны, α-частицы и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер.
- Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер.
- Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 10 7 –10 10 К и являются основным источником энергии звезд.
- Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами γ-квантов и электронов с энергией E > 10 МэВ.
- Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра.
- Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности.
Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.
Реакции на медленных нейтронах
«1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо
Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была
придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых
можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него
вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это
знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг
Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное:
активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его
поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и
Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен
приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным
измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил
им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и
посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса.
Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять
на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе,
его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку.
Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они
поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили
разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец
−
вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое!
− предложил Ферми.
−
Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином.
Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь
поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к
счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание
загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин
увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз.
В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв,
установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико
воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже
была готова теория, которая объясняла странное действие парафина».
В общем виде ядерное взаимодействие можно записать в форме:
Наиболее распространенным типом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы a с ядром X , в результате чего образуется частица b и ядро Y . Это записывают символически так:
Роль частиц a и b чаще всего выполняют нейтрон n , протон p , дейтрон d , α-частица и γ-квант.
Процесс (4.2) обычно происходит неоднозначно, так как реакция может идти несколькими конкурирующими способами, т.е. частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции (4.2), могут быть разными:
.gif) .
|
Разные возможности протекания ядерной реакции на втором этапе иногда называют каналами реакции . Начальный этап реакции называется входным каналом.
Два последних канала реакции относятся к случаям неупругого (A 1 + a ) и упругого (A + a ) ядерного рассеяния. Эти частные случаи ядерного взаимодействия отличаются от других тем, что продукты реакции совпадают с частицами, вступающими в реакцию, причем при упругом рассеянии сохраняется не только тип ядра, но и его внутреннее состояние, а при неупругом рассеянии внутреннее состояние ядра изменяется (ядро переходит в возбужденное состояние).
 Рисунок 4.1. Качественная зависимость вероятности распада ядра от энергии. |
При изучении ядерной реакции представляет интерес идентификация каналов реакции, сравнительная вероятность протекания ее по разным каналам при различных энергиях падающих частиц. Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях . Состояние стабильного или радиоактивного ядра, которое соответствует минимальной энергии (массе) E 0 называется основным. Из квантовой механики известно, что между энергией состояния и его временем жизни имеет место соотношение Гейзенберга :
|
Возбужденные ядра, испытывают различные виды энергетических переходов. Энергия возбуждения может сбрасываться по различными каналами (переводя ядра в основное состояние): испускания γ-квантов, деление ядра и т.д. По этой причине вводится понятие парциальной ширины уровня Γ i . Парциальная ширина резонансного уровня есть вероятность распада по i -му каналу. Тогда вероятность распада в единицу времени ω может быть представлена в виде:
 .
|
Также большой интерес представляет энергия и угловое распределение образующихся частиц, и их внутреннее состояние (энергия возбуждения, спин, четность, изотопический спин).
Многие сведения о ядерных реакциях могут быть получены в результате применения законов сохранения.
Более подробную информацию по этому разделу можно посмотреть .
