Ядерные реакции, раздел «Физик»

Существует большое количество различных типов ядерных реакций — процессов, при которых частицы (или ядра) взаимодействуют с ядрами. Первая из таких реакций наблюдалась в 1919 г. Э. Резерфордом. Это было расщепление ядра азота быстрой альфа-частицей (ядром гелия-4, см. Альфа-распад):

₂⁴He(гелий-4) + ₁₇⁴N(азот-14) → ₈¹⁷O(кислород-17) + ₁¹р(протон).

Под действием бомбардирующих частиц в ядре могут происходить весьма сложные процессы, приводящие к его возбуждению, вылету одного или нескольких нуклонов (так называются протоны и нейтроны вместе), иногда к полному развалу ядра. Однако в любом случае при их протекании выполняются з а-коны сохранения электрического заряда, полного числа нуклонов, энергии, импульса и еще целого ряда величин. Так, в приведенном выше примере сохраняются электрический заряд (2 + 7 = 8 + 1) и число нуклонов (4 + 14 = 17 + 1). Реакция идет с поглощением энергии (Q = —1 МэВ).

Законы сохранения позволяют сделать много важных выводов о протекании реакции. Обширный класс их связан с нейтронами. Эта частица — очень удобный инструмент для проникновения в глубь ядра и воздействия на него. Нейтрон не заряжен, и в отличие от заряженного протона или альфа-частицы ему не приходится преодолевать кулоновские силы отталкивания со стороны ядра. Попав в ядро, нейтрон становится участником сильного взаимодействия. При этом выделяется значительная по ядерным масштабам энергия.

Для примера рассмотрим реакцию, в которой нейтрон захватывается ядром алюминия: ₀¹n + ₁₃²⁷Al → ₁₃²⁸Al.

Согласно теории Бора, в которой для ядра используется модель жидкой капли (см. рис.), энергия, выделившаяся при захвате, распределяется между всеми частицами ядра. Капля подогревается, увеличивая свою температуру. В таком состоянии она находится довольно долго. (Правда, по ядерным масштабам «долго» означает лишь время, существенно большее 10^-22 с, т. е. времени пролета нейтрона сквозь ядро.) Пока в силу случайных обстоятельств на одной частице (или на группе частиц) снова не сосредоточится энергия, достаточная, чтобы выбросить ее за пределы ядра. Происходит частичное испарение капли, после чего она охлаждается. Испариться могут самые разные частицы. Так, в случае с ₁₃²⁸Al в результате испарения р получается ₁₂²⁷Mg, при испарении α — ₁₁²⁴Na, γ — ₁₈²⁸Al, 2n — ₁₃²⁶Al и т. п.

Вероятность того, что реакция пойдет тем или иным путем, зависит от возбужденного состояния ядра ₁₃²⁸Al, т. е. от энергии, привнесенной нейтроном. Чем она больше, тем разнообразнее способы распада.

Образование промежуточного ядра и его распад далеко не единственный механизм протекания ядерных реакций. Существуют прямые процессы, в которых такие ядра не образуются, реакции термоядерного синтеза (слияние двух легких ядер в более тяжелое), сопровождающиеся большим выделением энергии, и т. п.

Ядерные реакции широко используются для получения искусственных радиоактивных изотопов.