Основы ядерной физики

ЯДЕРНЫЕ ЕАКЦИИ

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссальной энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например , радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10−13 см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).

  При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия. Подобные процессы называют ядерными реакциями. 

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность — самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения — радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс mi продуктов распада, т.е. неравенство:

.

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными.

Радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис 1. изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Рисунок 1. Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К — свинцовый контейнер, П — радиоактивный препарат, Ф — фотопластинка, – магнитное поле

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность — это свойство атомных ядер. Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи — это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10–12 м и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц — γ-квантов.

Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы).

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое ядро, содержащее число протонов Z — 2 и нейтронов N — 2. При этом испускается α-частица — ядро атома гелия.

Общая схема: z ХA = 2He4 + z-2 Y A-4.

Примером такого процесса может служить α-распад радия:

α-излучение обладает наименьшей проникающей способностью. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров.

Радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться в разных возбужденных состояниях. α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

 

 

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. -> + .

β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным.

z ХA = -1 e0 + z+1 Y A.

Типичным примером β-распада может служить превращение изотопа тория возникающего при α-распаде урана в палладий

β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β+-распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино .

Позитрон — это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

 

Гамма-распад. В отличие от α- и β- радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Обладают наибольшей проникающей способностью γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.