A. Ядерные реакции

Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций

Ядерными реакциями называют превращения ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции обычно осуществляются путем бомбардировки тяжелых ядер элементарными частицами или легкими ядрами, ускоренными до больших энергий. Ядро захватывает бомбардирующую частицу, поглощает ее энергию и переходит в возбужденное состояние. Ядро становится неустойчивым и превращается в новое ядро с испусканием другой частицы.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов: суммы зарядов и массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равны суммам зарядов и массовых чисел конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Ядерная реакция характеризуется энергией ядерной реакции \(~\Delta W\) (энергетическим выходом реакции), равной разности энергий покоя ядра и частиц до реакции и после нее, т.е.

\(\Delta W = c^2 \left( \sum_i m_i - \sum_j m_j \right),\)

где \(~\sum_j m_j\) — сумма масс частиц до реакции, \(~\sum_j m_j\) — сумма масс частиц после реакции.

Если \(~\Delta W>0,\) то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической, если \(~\Delta W<0,\) то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической.

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них частиц: реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (протонов, дейтронов, \(~\alpha\)-частиц); реакции под действием \(~\gamma\)-квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц: реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт, происходящие с участием \(~\gamma\)-квантов и заряженных частиц (протонов, \(~\alpha\)-частиц); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектронвольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер: реакции на легких ядрах (A < 50); реакции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) по характеру происходящих ядерных превращений: реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько \(~\gamma\)-квантов).

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом (1919) при бомбардировке ядер азота а-частицами, испускаемыми радиоактивным источником:

\(~_7^{14}N+_2^4He\to\left(_9^{18}F\right)^*\to_8^{17}O+_1^1H.\)

Ядерные реакции под действием \(~\alpha\)-частиц привели к открытию нейтрона (Дж. Чедвиком):

\(~_4^9Be+_2^4He\to\left(_6^{13}C \right)^*\to_6^{12}C+_0^1n.\)

Примером ядерной реакции, осуществляемой при бомбардировке ускоренными протонами, является реакция:

\(~_3^7Li+_1^1H\to_2^4He+_2^4He.\)

Под действием медленных нейтронов:

\(~_{92}^{238}U+_0^1n\to\left(_{92}^{239}U \right)^*\to_{-1}^0e+_{93}^{239}Np\)

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 617-618.