Reacțiile nucleare sunt clasificate. Reacții nucleare

În general, interacțiunea nucleară poate fi scrisă sub forma:

Cel mai comun tip de reacție nucleară este interacțiunea unei particule luminoase o cu miez X, rezultând în formarea unei particule bși miez Y. Acesta este scris simbolic astfel:

Rolul particulelor oŞi b cel mai adesea realizat de neutron n, proton p, deuteron d, α-particulă și γ-quantum.

Procesul (4.2) are loc de obicei în mod ambiguu, deoarece reacția poate avea loc în mai multe moduri concurente, de ex. particulele născute ca rezultat al reacției nucleare (4.2) pot fi diferite:

.

Diferite posibilități ca o reacție nucleară să apară în a doua etapă sunt uneori numite canale de reacție. Etapa inițială reacția se numește canal de intrare.

Ultimele două canale de reacție se referă la cazuri de inelastic ( A 1 + o) și elastic ( O + o) împrăștiere nucleară. Aceste cazuri speciale de interacțiune nucleară diferă de altele prin aceea că produsele de reacție coincid cu particulele care intră în reacție, iar cu împrăștierea elastică nu se păstrează doar tipul de nucleu, ci și starea sa internă, iar cu împrăștierea inelastică, starea internă a nucleului se modifică (nucleul devine stare excitat).

Figura 4.1. Dependenta calitativa probabilitatea dezintegrarii nucleare in functie de energie.

Când se studiază o reacție nucleară, este interesant să se identifice canalele de reacție și probabilitatea comparativă a apariției acesteia prin diferite canale la diferite energii ale particulelor incidente. Nucleele pot fi localizate în diferite stări energetice. Starea unui nucleu stabil sau radioactiv care corespunde energiei minime (masa) E 0 numită principală. Din mecanica cuantică se ştie că între energia unei stări şi durata ei de viaţă există Relația Heisenberg: ΔE = ћ / Δt,

Experiență emoționată a nucleelor diverse tipuri tranziții energetice. Energia de excitație poate fi eliberată prin diverse canale (transferul nucleelor ​​la starea fundamentală): emisie de γ cuante, fisiune nucleară etc. Din acest motiv, este introdus conceptul de lățime de nivel parțial Γi. Lățimea parțială a nivelului rezonant este probabilitatea de dezintegrare conform i- canalul. Apoi probabilitatea dezintegrarii pe unitatea de timp ω poate fi reprezentat ca:

.

De asemenea, de mare interes este energia și distribuția unghiulară a particulelor rezultate, precum și starea lor internă (energie de excitare, spin, paritate, spin izotopic).

Multe informații despre reacțiile nucleare pot fi obținute prin aplicarea legilor de conservare.

Mai mult informatii detaliate Puteți să vă uitați la această secțiune.

O reacție nucleară este procesul de rearanjare a nucleului, însoțit de generarea de noi particule, apărute sub influența sau ca urmare a interacțiunii a doi nuclei sau a unui nucleu și a unei particule atunci când se apropie de distanțe la care acțiunea forțele nucleare încep să se manifeste.

ÎN conditii de laborator Reacțiile nucleare sunt efectuate în principal prin bombardarea nucleelor ​​cu fascicule de particule rapide. Ca urmare a ciocnirii, apar noi particule, energia și impulsul particulelor sunt redistribuite.

Reacția este înregistrată fie într-o formă similară cu înregistrarea reacțiilor chimice:

Sau, ceea ce este mai comun în fizica nucleară, cum ar fi

unde a este o particulă de fascicul, A este un nucleu țintă, o particulă emisă, B este un nucleu produs (sau nucleu final).

O înregistrare completă a unei reacții nucleare conține simboluri ale elementelor, numărul de sarcini și numerele de masă. De exemplu, prima reacție efectuată de Rutherford în 1919 poate fi scrisă ca

Dacă despre care vorbim despre tipul general de reacție, indiferent de tipul particular de țintă, atunci introducerea se face în următoarea formă:

Prima literă din paranteză indică tipul de particule incidente, iar litera (sau literele) după virgulă zecimală indică ce particule sunt produse ca rezultat al reacției, alta decât nucleul de recul.

Ciocnirea unei particule care bombardează cu un nucleu țintă poate provoca diverse efecte:

1. Imprăștirea elastică este o interacțiune în care particula și nucleul își păstrează individualitatea și are loc doar o redistribuire a energiei lor cinetice. Mișcarea particulelor după interacțiune respectă legile impactului elastic. Compoziția și energia internă a nucleului, precum și tipul de particule, nu se modifică:

2. Imprăștire inelastică. În acest caz, este emisă o particulă de același tip cu cea incidentă, dar nucleul final se formează într-o stare excitată, care este indicată de un asterisc. De asemenea, compoziția nucleului nu se modifică:

3. Reacția nucleară în sine este o interacțiune în care proprietățile interne și compoziția nucleului țintă se modifică și este eliberată o nouă particulă:

Fiecare dintre aceste tipuri de ecuații determină, după cum se spune, propriul său canal de reacție.

Secțiuni transversale și randamente ale reacțiilor nucleare.

Când studiază o reacție nucleară, ei se străduiesc să determine: probabilitatea apariției acesteia prin diferite canale la diferite energii ale particulelor incidente - așa-numitul „randament” al acestei reacții, distribuția unghiulară și energetică a produselor de reacție.

După cum sa menționat deja, secțiunea transversală a reacției efective exprimă probabilitatea ca o anumită transformare să aibă loc în timpul bombardării unui nucleu cu un flux cu o densitate de 1 particulă pe secundă, dacă ținta conține nuclee și un flux de I particule pe 1 secundă acesta, apoi transformările nucleare au loc în 1 sec. Secțiunea transversală efectivă totală este suma secțiunilor transversale ale proceselor pe toate canalele

O caracteristică importantă a reacției este dependența secțiunii transversale efective de energia particulei incidente:

Aceste dependențe se numesc funcții de excitare a reacției nucleare.

Randamentul unei reacții la o energie dată de particule incidente, adică raportul dintre numărul de evenimente de reacție care au avut loc și numărul de particule care cad pe țintă, cu condiția ca același flux de particule de bombardare să cadă pe toate nucleele țintă. Randamentul poate fi calculat prin cunoașterea secțiunii transversale efective a procesului unde este numărul de atomi țintă dintr-o coloană cu o secțiune transversală și înălțime egale cu grosimea țintei.

Dacă densitatea substanței țintă, atunci

Pentru o țintă groasă, în care are loc atât o modificare a energiei, cât și o scădere a fluxului de particule, expresia pentru randamentul reacțiilor nucleare are o formă mai complexă.

Studiul reacțiilor nucleare a jucat un rol major în dezvoltarea ideilor despre structura nucleelor, care au oferit informații extinse despre spinurile și paritățile stărilor excitate ale nucleelor ​​și au contribuit la dezvoltarea modelului de înveliș. Studiul reacțiilor care implică schimbul mai multor nucleoni între nuclee care se ciocnesc a făcut posibilă studierea dinamicii nucleare într-o stare cu moment unghiular mare. Drept urmare, au fost descoperite benzi lungi de rotație, care au servit drept una dintre bazele creării unui model generalizat al nucleului. Când nucleele grele se ciocnesc, se formează nuclee care nu există în natură. Sinteza elementelor transuraniu se bazează în mare măsură pe fizica interacțiunii nucleelor ​​grele. În reacțiile cu ioni grei, se formează nuclee care sunt îndepărtate de banda de stabilitate β. Nucleele îndepărtate de banda de stabilitate β diferă de nucleele stabile într-o relație diferită între Coulomb și interacțiunile nucleare, relația dintre numărul de protoni și numărul de neutroni și diferențe semnificative în energiile de legare a protonilor și neutronilor, care se manifestă. în noi tipuri de dezintegrare radioactivă - radioactivitatea protonilor și neutronilor și o serie de altele caracteristici specifice nuclee atomice.
Când se analizează reacțiile nucleare, este necesar să se țină cont de natura ondulatorie a particulelor care interacționează cu nucleele. Natura ondulatorie a procesului de interacțiune a particulelor cu nucleele se manifestă în mod clar în împrăștierea elastică. Astfel, pentru nucleonii cu o energie de 10 MeV, lungimea de undă redusă de Broglie este mai mică decât raza nucleului, iar atunci când un nucleon este împrăștiat, apare un model caracteristic de maxime și minime de difracție. Pentru nucleonii cu o energie de 0,1 MeV, lungimea de undă este mai mare decât raza nucleului și nu există difracție. Pentru neutroni cu energie<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Reacțiile nucleare sunt o metodă eficientă de studiere a dinamicii nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când două particule interacționează. În timpul unei reacții nucleare, există un schimb activ de energie și impuls între particule, ducând la formarea uneia sau mai multor particule care zboară departe de regiunea de interacțiune. Ca urmare a unei reacții nucleare, are loc un proces complex de restructurare nucleul atomic. Ca și în cazul descrierii structurii nucleului, atunci când descrieți reacțiile nucleare este aproape imposibil să obțineți o soluție exactă a problemei. Și la fel cum structura nucleului este descrisă de diferite modele nucleare, cursul unei reacții nucleare este descris de diferite mecanisme de reacție. Mecanismul unei reacții nucleare depinde de mai mulți factori - tipul de particule incidente, tipul de nucleu țintă, energia particulei incidente și o serie de alți factori. Unul dintre cazurile limitative ale unei reacții nucleare este reacție nucleară directă. În acest caz, particula incidentă transferă energie către unul sau doi nucleoni ai nucleului și părăsesc nucleul fără a interacționa cu alți nucleoni ai nucleului. Timpul caracteristic pentru a avea loc o reacție nucleară directă este de 10 -23 s. Reacțiile nucleare directe au loc pe toate nucleele la orice energie a particulei incidente. Reacțiile nucleare directe sunt folosite pentru a studia stările cu o singură particule ale nucleelor ​​atomice, deoarece Produșii de reacție poartă informații despre poziția nivelurilor de la care este eliminat un nucleon. Folosind reacții nucleare directe, s-au obținut informații detaliate despre energiile și ocuparea stărilor cu o singură particule ale nucleelor, care au stat la baza modelului de înveliș al nucleului. Un alt caz limitativ sunt reacțiile care apar prin formarea nucleului compus.

O descriere a mecanismului reacțiilor nucleare a fost dată în lucrările lui W. Weiskopf.

V. Weiskopf: „Ce se întâmplă când o particulă intră într-un nucleu și se ciocnește cu unul dintre constituenții nucleari? Figura ilustrează unele dintre aceste posibilități.
1) Particula care căde își pierde o parte din energie, ridicând particula nucleară la o stare superioară. Acesta ar fi rezultatul împrăștierii inelastice dacă particula care intră rămâne cu suficientă energie pentru a scăpa din nou din nucleu. Acest proces se numește împrăștiere directă inelastică deoarece implică împrăștierea dintr-o singură componentă a nucleului.
2) Particula care căde transferă energie către mișcarea colectivă, așa cum se arată simbolic în a doua diagramă a figurii, aceasta este, de asemenea, o interacțiune directă.
3) În cea de-a treia diagramă a figurii, energia transferată este suficient de mare pentru a smulge un nucleon din țintă. Acest proces contribuie și la reacția nucleară directă. În principiu, nu este diferit de 1), corespunde unei „reacțiuni de schimb”.
4) O particulă care intră poate pierde atât de multă energie încât rămâne legată în interiorul nucleului, energia transferată poate fi preluată de un nucleon de jos, astfel încât să nu poată părăsi nucleul. Obținem apoi un nucleu excitat care nu poate emite un nucleon. Această stare conduce în mod necesar la o excitare suplimentară a nucleonilor prin ciocniri interne, în care energia per particulă excitată scade în medie, astfel încât, în majoritatea cazurilor, nucleonul nu poate părăsi nucleul. În consecință, se va ajunge la o stare cu o durată de viață foarte lungă, care se poate degrada doar în cazul în care o particulă, prin ciocniri în interiorul nucleului, capătă accidental suficientă energie pentru a părăsi nucleul. Numim această situație formarea unui nucleu compus. Energia poate fi pierdută și prin radiație, după care emisia particulei devine imposibilă din punct de vedere energetic: nucleonul incident va experimenta captarea radiativă.
5) Formarea unui nucleu compus poate fi realizată în două sau mai multe etape dacă, după un proces de tip 1) sau 2), un nucleon incident lovește un alt nucleon pe calea sa și îl excită în așa fel încât să scape din nucleul se dovedește a fi imposibil pentru orice nucleon.”

Pentru prima dată, ideea apariției unei reacții nucleare prin etapa unui nucleu compus a fost exprimată de N. Bohr. Conform modelului de nucleu compus, o particulă incidentă, după ce a interacționat cu unul sau doi nucleoni ai nucleului, transferă cea mai mare parte a energiei sale către nucleu și este capturată de nucleu. Durata de viață a unui nucleu compus este mult mai lungă decât timpul de zbor al unei particule incidente prin nucleu. Energia introdusă de particula incidentă în nucleu este redistribuită între nucleonii nucleului până când o parte semnificativă a acesteia este concentrată pe o particulă și apoi zboară din nucleu. Formarea unei stări excitate de lungă durată poate duce la fisiunea acesteia ca urmare a deformării.

N. Bor: „Fenomenul captării neutronilor ne face să presupunem că o coliziune între un neutron rapid și un nucleu greu trebuie să conducă în primul rând la formarea unui sistem complex caracterizat de o stabilitate remarcabilă. Posibila dezintegrare ulterioară a acestui sistem intermediar cu emisia unei particule de material sau trecerea la starea finală cu emisia unui cuantum de energie radiantă ar trebui considerate procese independente care nu au legătură directă cu prima fază a coliziune. Întâlnim aici o diferență semnificativă, nerecunoscută anterior, între reacțiile nucleare reale - ciocniri obișnuite de particule rapide și sisteme atomice - ciocniri, care până acum au reprezentat pentru noi principala sursă de informații privind structura atomului. Într-adevăr, posibilitatea numărării particulelor atomice individuale prin astfel de ciocniri și studierii proprietăților acestora se datorează, în primul rând, „deschiderii” sistemelor luate în considerare, ceea ce face ca schimbul de energie între particulele constitutive individuale în timpul impactului să fie foarte puțin probabil. . Cu toate acestea, din cauza ambalării strânse a particulelor în nucleu, trebuie să fim pregătiți pentru faptul că acest schimb de energie este cel care joacă rolul principal în reacțiile nucleare tipice.”

Clasificarea reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare sunt un mijloc eficient de studiere a structurii nucleelor ​​atomice. Dacă lungimea de undă a particulei incidente este mai mare decât dimensiunea nucleului, atunci în astfel de experimente se obțin informații despre nucleul ca întreg. Dacă dimensiunea nucleului este mai mică, atunci din secțiunile transversale de reacție se extrag informații despre distribuția densității materiei nucleare, structura suprafeței nucleului, corelația dintre nucleonii din nucleu și distribuția nucleonilor peste nucleu. scoici.

• Excitarea coulombiană a nucleelor ​​sub influența particulelor încărcate de masă relativ mare (protoni, particule α și ioni grei de carbon și azot) este utilizată pentru a studia nivelurile de rotație joase ale nucleelor ​​grele.
• Reacțiile cu ioni grei pe nucleele grele, care conduc la fuziunea nucleelor ​​care se ciocnesc, sunt metoda principală de producere a nucleelor ​​atomice supergrele.
• Reacții de fuziune ale nucleelor ​​ușoare la energii de coliziune relativ scăzute (așa-numitele reacții termonucleare). Aceste reacții apar datorită tunelului mecanic cuantic prin bariera Coulomb. Reacțiile termonucleare au loc în interiorul stelelor la temperaturi de 10 7 – 10 10 K și sunt principala sursă de energie pentru stele.
• Reacțiile fotonucleare și electronucleare apar în ciocniri cu nuclee de γ-quanta și electroni cu energie E > 10 MeV.
• Reacții de fisiune ale nucleelor ​​grele, însoțite de restructurarea profundă a nucleului.
• Reacțiile care folosesc fascicule de nuclee radioactive deschid posibilitatea obținerii și studierii nucleelor ​​cu un raport neobișnuit al numărului de protoni și neutroni, departe de linia de stabilitate.

Reacțiile nucleare sunt de obicei clasificate în funcție de tipul și energia particulei incidente, tipul de nuclee țintă și energia particulei incidente.

Reacții cu neutroni lenți

„1934 Într-o dimineață, Bruno Pontecorvo și Eduardo Amaldi testau unele metale pentru radioactivitate. Aceste mostre au fost modelate în cilindri mici, goali, de dimensiuni egale, în interiorul cărora ar putea fi plasată o sursă de neutroni. Pentru a iradia un astfel de cilindru, a fost introdusă o sursă de neutroni în el și apoi totul a fost plasat într-o cutie de plumb. În această dimineață semnificativă, Amaldi și Pontecorvo au efectuat experimente cu argint. Și deodată Pontecorvo a observat că se întâmplă ceva ciudat cu cilindrul de argint: activitatea lui nu a fost întotdeauna aceeași, se schimba în funcție de locul în care era plasat, la mijloc sau în colțul careului de plumb. În deplină nedumerire, Amaldi și Pontecorvo au mers să raporteze acest miracol lui Fermi și Rasetti. Franke a fost înclinat să atribuie aceste ciudățeni unor erori statistice sau măsurători inexacte. Și Enrico, care credea că fiecare fenomen necesită verificare, le-a sugerat să încerce să iradieze acest cilindru de argint în afara cutiei de plumb și să vadă ce iese din el. Și apoi au început să experimenteze miracole absolut incredibile. S-a dovedit că obiectele situate în apropierea cilindrului pot influența activitatea acestuia. Dacă cilindrul era iradiat în timp ce stătea pe o masă de lemn, activitatea lui era mai mare decât atunci când era așezat pe o placă de metal. Acum întregul grup a devenit interesat de acest lucru și toată lumea a luat parte la experimente. Au plasat sursa de neutroni în afara cilindrului și au plasat diverse obiecte între acesta și cilindru. Placa de plumb a crescut ușor activitatea. Duce−substanță grea. „Hai, hai să încercăm pe cel ușor acum!”−a sugerat Fermi.−Să spunem parafină”. În dimineața zilei de 22 octombrie a fost efectuat un experiment cu parafină.
Au luat o bucată mare de parafină, au scobit o gaură în ea, au plasat o sursă de neutroni înăuntru, au iradiat un cilindru de argint și l-au adus la un contor Geiger. Contorul a sunat ca și cum s-ar fi rupt lanțul. Întreaga clădire a tunat cu exclamații: „De neconceput! De neimaginat! Magie neagră!” Parafina a crescut de o sută de ori radioactivitatea artificială a argintului.
La amiază, grupul de fizicieni s-a împrăștiat fără tragere de inimă pentru o pauză stabilită pentru micul dejun, care de obicei dura două ore... Enrico a profitat de singurătatea lui, iar când s-a întors în laborator, avea deja pregătită o teorie care explica ciudatul. efectul parafinei.”

11.1. Definirea si clasificarea reactiilor nucleare. Sunt interpretări diferite termen reactii nucleare. În sens larg, o reacție nucleară este orice proces care începe cu ciocnirea a două, mai rar mai multe particule (simple sau complexe) și continuă, de regulă, cu participarea interacțiuni puternice. Această definiție este satisfăcută de reactii nucleareîn sensul restrâns al cuvântului, care sunt înțelese ca procese care încep cu ciocnirea unei particule simple sau complexe (nucleon, α- particulă, γ-cuantică) cu un nucleu. Rețineți că definiția unei reacții este îndeplinită, ca caz special, prin împrăștierea particulelor. Două exemple de reacții nucleare sunt prezentate mai jos.

Din punct de vedere istoric, prima reacție nucleară (Rutherford, 1919 - descoperirea protonului):

α + 14 N → 17 O + r.

Descoperirea neutronului (Chadwick, 1932):

α + 9 Fi → 12 C + n.

Studiul reacțiilor nucleare este necesar pentru a obține informații despre proprietățile nucleelor ​​noi și ale particulelor elementare, stările excitate ale nucleelor ​​etc. Nu trebuie să uităm că în microlume, din cauza prezenței legilor cuantice, o particulă sau un nucleu nu poate fi „privită”. Prin urmare, principala metodă de studiere a microobiectelor este studiul coliziunilor lor, adică reacțiile nucleare. În ceea ce privește aplicațiile, reacțiile nucleare sunt necesare pentru utilizarea energiei nucleare, precum și pentru producerea de radionuclizi artificiali.

Reacțiile nucleare pot apărea în condiții naturale (de exemplu, în interiorul stelelor sau în raze cosmice). Dar studiul lor se desfășoară de obicei în condiții de laborator, în instalații experimentale. Pentru a efectua reacții nucleare, este necesar să aduceți particulele sau nucleele împreună cu nucleele la distanțe de ordinul razei de acțiune a forțelor nucleare. Bariera Coulomb împiedică particulele încărcate să se apropie de nuclee. Prin urmare, pentru a efectua reacții nucleare pe particulele încărcate, ei folosesc acceleratoare, în care particulele, accelerând într-un câmp electric, dobândesc energia necesară depășirii barierei. Uneori, această energie este comparabilă cu energia de repaus a particulei sau chiar o depășește: în acest caz, mișcarea este descrisă de legile mecanicii relativiste. În acceleratoarele convenționale ( accelerator liniar, ciclotron etc.) cea mai grea dintre două particule care se ciocnesc, de regulă, este în repaus, iar cea mai ușoară se ciocnește cu ea. O particulă în repaus se numește ţintă (engleză– țintă). Atacatorii sau bombardarea, particulele în rusă nu au primit un nume special (în engleză se foloseşte termenul proiectil – proiectil). În acceleratoarele de fascicul care se ciocnesc ( ciocnitori) ambele particule care se ciocnesc se mișcă, astfel încât împărțirea într-o țintă și un fascicul de particule incidente își pierde sensul.

Energia unei particule încărcate într-o reacție poate fi mai mică decât înălțimea barierei Coulomb, așa cum a fost cazul în experimentele clasice ale lui J. Cockcroft și E. Walton, care în 1932 au divizat artificial nucleele de litiu bombardându-le cu protoni accelerați. . În experimentele lor, pătrunderea unui proton în nucleul țintă a avut loc prin tunel prin bariera de potențial Coulomb (vezi Lectura 7). Probabilitatea unui astfel de proces, desigur, este foarte mică din cauza transparenței scăzute a barierei.

Există mai multe moduri de a scrie simbolic reacțiile nucleare, dintre care două sunt prezentate mai jos:

O colecție de particule care se ciocnesc într-o anumită stare cuantică (de exemplu, r iar 7 Li) sunt numite canal de intrare reacție nucleară. În ciocnirile acelorași particule (canal de intrare fix), în cazul general, pot apărea diferiți produși de reacție. Astfel, în ciocnirile de protoni cu 7 Li, reacțiile 7 Li( p, 2α), 7 Li( p, n) 7 Be, 7 Li( p, d) 6 Fii etc. În acest caz vorbim despre procese concurente, sau despre un set canale de ieșire.

Reacțiile nucleare sunt adesea scrise într-o formă și mai scurtă: ( o, b) – adică indicând doar particulele de lumină și nu indicând nucleele implicate în reacție. De exemplu, intrarea ( p, n) înseamnă eliminarea unui neutron dintr-un nucleu de către un proton, ( n, γ ) – absorbția unui neutron de către un nucleu cu emisie γ -quanta etc.

Clasificarea reacțiilor nucleare poate fi efectuată după următoarele criterii:

I. După tipul de proces

1) captarea radiațiilor: ( n, γ ), (p, γ )

2) efect fotoelectric nuclear: ( γ , n), (γ , p)

3) reacții nucleon-nucleon:

a) eliminarea unui nucleon sau a unui grup de nucleoni ( n,p), (p, α), etc.

b) „evaporarea” nucleonilor ( p, 2n), (p, 2p) etc.

c) avarie ( d,p), (d,n) și ridicare ( p,d), (n,d)

4) împărțire: ( n, f), (p, f), (γ , f)

5) sinteza (fuziunea)

6) împrăștiere inelastică: ( n,n')

7) împrăștiere elastică: ( n,n)

II. Bazat pe eliberarea sau absorbția de energie

1) reacții exoterme

2) reacții endoterme

III. Prin energia particulelor de bombardare

1) energii joase (< 1 кэВ)

2) energii medii (1 keV-10 MeV)

3) energii mari (> 10 MeV)

IV. Prin masa de nuclee bombardate

1) pe nuclee ușoare ( O < 50)

2) pe nuclee de masă medie (50<O < 100)

3) pe nuclee grele ( O > 100)

V. După tipul de particule de bombardare

1) pe particulele încărcate ( p, d, α și ioni mai grei)

2) pe neutroni

3) pe fotoni (reacții fotonucleare)

11.2. Legea conservării energiei. Pentru reacția nucleară în sine vedere generală

O + B → C+ D+E+…

Să scriem legea conservării energiei în termeni de energii de repaus și energii cinetice:

Magnitudinea Q, definită ca diferența de energie de repaus:

numit energie de reactie. Este evident că

Dacă Q> 0, atunci această reacție se numește exotermic. În acest caz Q este diferența dintre energiile cinetice ale tuturor participanților la reacție înainte și după expansiune, definită în sistemul de coordonate asociat cu centrul de inerție (SCI, sau ts-sistem). O reacție exotermă poate avea loc la orice valoare a energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, inclusiv zero.

Dacă Q < 0, то реакцию называют endotermic. Reacția inversă a unei reacții exoterme este întotdeauna endotermă și invers. Dimensiune - Q V ts-sistem este energia cinetică minimă a particulelor care se ciocnesc la care este încă posibilă o reacție sau, prag reactii.

Când treceți la sistemul de coordonate al laboratorului (Fig. 11.1), LCS sau pur și simplu l-sistem, în care una dintre particulele care reacţionează este în repaus - valoarea ţintă a pragului de reacţie E por creşte deoarece o parte din energia cinetică merge către mișcarea centrului de inerție care este inutilă pentru reacție. Într-adevăr, energia cinetică de mișcare a centrului de inerție poate fi arbitrar mare, dar dacă particulele sunt în repaus una față de alta, reacția nu va avea loc.

Pentru a determina pragul de reacție în l-sistem Să profităm de faptul că masa și, prin urmare, energia de repaus, este invariant, adică o cantitate care nu depinde de alegerea sistemului de coordonate. Deoarece , apoi pentru orice număr de particule

Dacă în reacția luată în considerare ținta este o particulă ÎN, apoi în l-sistem

ÎN ts-sistem

După cum am menționat mai sus, pragul este ts-sistem corespunde nașterii particulelor CU, D etc. cu energii cinetice zero, i.e. etc. Şi . Invariant de masă în l-sistem

Invariantul de masă corespunzător pragului în ts-sistem

Dacă echivalăm acum cei doi invarianți obținuți pentru , atunci

. (11.3)

Astfel, pragul unei reacții endoterme este întotdeauna mai mare decât energia reacției exoterme inverse. Q. După cum se poate observa din expresia rezultată, cu cât masa țintei este mai mare, cu atât pragul pentru reacția endotermă este mai mic.

11.3. Rolul impulsului orbital. Momentul unghiular al unei particule cu impuls r, incident pe un nucleu staționar, este egal cu pb, Unde b– parametru de direcționare. Conform conceptelor clasice, o reacție poate apărea numai în cazurile în care acest parametru de impact este mai mic decât raza de acțiune a forțelor nucleare, adică. b < R. În mecanica cuantică, valoarea impulsului orbital

( – lungimea de undă de Broglie). Atunci inegalitatea trebuie să se mențină

. (11.4)

Pentru un neutron cu energie T= 1 MeV, adică comparabil cu dimensiunea nucleului. Pentru neutroni și protoni cu energie mai mică este mult mai mare. Astfel, pentru particulele de energii joase și medii, inegalitatea (11.4) este satisfăcută, strict vorbind, numai cu condiția l= 0 (mai rar cu l = 1).

Ținând cont de proprietățile cuantice ale sistemului, reacția este în principiu posibilă pentru oricare l, dar probabilitatea unei reacții scade brusc dacă relația (11.4) nu este îndeplinită. Motivul este că neutronii în acest caz trebuie să depășească bariera centrifugă. Dar, așa cum s-a arătat când se ia în considerare emisia de γ-quanta de către nuclee (Lectura 9), coeficientul de transparență al barierei centrifuge

,

aceste. scade brusc odata cu cresterea l. Dacă aproximarea lungimii de undă lungă nu mai este valabilă (adică particulele care bombardează au o energie foarte mare), interacțiunea este posibilă și cu l, diferit de zero.

11.4. Secțiune transversală și randamentul unei reacții nucleare. O descriere cantitativă a reacțiilor nucleare din punctul de vedere al mecanicii cuantice nu poate fi decât statistic, adică una în care, în principiu, nu putem vorbi decât despre probabilitatea reacției în sine Principalele caracteristici probabilistice ale reacțiilor nucleare sunt secțiuneŞi Ieșire, a cărui definiție este dată mai jos. Lasă, când fluxul de particule scade O pe o țintă subțire (dar macroscopică) care conține nuclee ÎN, se formează dN C miezuri CU(Fig. 11.2). Această cantitate este proporțională cu numărul de particule O, densitatea numerică a particulelor țintă n B(m–3) și grosimea țintei dx(m):

.

Secțiune reactii O + ÎN → CU+ ··· este definit apoi ca coeficient de proporționalitate, adică.

, (11.5)

Din definiția (11.5) rezultă că secțiunea are dimensiunea ariei (m2). În fizica nucleară, unitatea de măsură a secțiunii transversale este 1 hambar: 1 b = 10 –28 m2.

Vizual, secțiunea transversală poate fi considerată zona efectivă a țintei, la intrarea căreia o particulă provoacă reacția necesară. Dar datorită proprietăților de undă ale particulelor, o astfel de interpretare are o gamă limitată de aplicabilitate. Într-adevăr, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, există o probabilitate diferită de zero ca o particulă să treacă fără deviere prin regiunea în care forțele acționează asupra ei. Atunci secțiunea transversală reală a reacției va fi mai mică secţiune transversală zona în care are loc interacțiunea. În acest caz, prin analogie cu optica, se numește nucleul țintă parțial transparent, sau gri.

În experimentele fizice reale nu este întotdeauna posibil să se măsoare secțiunea transversală a reacției. Cantitatea direct măsurabilă este Ieșire reacție, definită ca fracțiunea de particule de fascicul care a reacționat cu nucleele țintă. Să exprimăm randamentul reacției în termeni de secțiune transversală, cu condiția ca aceasta din urmă să rămână constantă pe măsură ce particulele incidente trec prin țintă. Numărul de nuclee CU, format într-un strat subțire al țintei ca rezultat al unei reacții cu particule O, egal

,

Unde N 0 – numărul total de particule O, prins într-un strat gros dx, N / A– numărul de particule care trec prin strat fără reacție. De aici . Apoi, în conformitate cu (11.5),

Numărul de particule O, trecând printr-un strat țintă de grosime finită h, găsim prin integrarea acestei ecuații:

,

Folosind definiția randamentului de reacție ca fracțiune de particule care au suferit transformare, constatăm că

țintă subțire corespunde unui exponent mic în comparație cu unitatea. În acest caz, extinderea (11.6) într-o serie Taylor dă

11.5. Mecanisme ale reacțiilor nucleare. Pe lângă clasificarea dată la paragraful 11.1., reacțiile nucleare diferă în timp și, prin urmare, în mecanismul apariției lor. Este convenabil să folosiți timpul nuclear ca scară de timp - timpul de zbor al unei particule prin nucleu: τ I = 2R/v≈ 10–22 s (secțiunea 2.2). Este evident că τ otravă– timpul minim necesar pentru finalizarea actului elementar al celei mai rapide reacții.

Vom folosi următoarea clasificare a reacțiilor în funcție de mecanismul lor. Dacă timpul actului elementar t r ≈ τ otravă, astfel de reacții se numesc Drept. În cazul reacțiilor directe, particula o transferă energie către unul sau mai mulți nucleoni ai nucleului O, după care părăsesc imediat miezul, fără să aibă timp să facă schimb de energie cu restul:

o + O → b + B.

Dacă t r >> τ otravă, apoi reacția trece prin etapa de formare nucleu compus:

o + O → CU* → b + B.

Conceptul de nucleu compus a fost introdus în fizică de N. Bohr în 1936. Nucleu compus CU*– starea excitată a nucleului CU, și energia de excitație

(11.7)

Unde T a– energia cinetică a particulei O,W a– energia separării sale de nucleu CU. Energia de excitație este împărțită între O+ O nucleoni ai nucleului compus, iar în medie pe nucleon există

. (11.8)

Astfel, fiecare dintre nucleoni individual are energie insuficientă pentru emisie. Ca rezultat al multor ciocniri, particula O„se încurcă” în miez și își pierde individualitatea. Abia după un timp t r>> τ otravă ca urmare a unei redistribuiri aleatorii a energiei, o cantitate suficientă de energie poate fi concentrată pe unul dintre nucleoni (sau un grup de nucleoni). În acest caz, un nucleon (grup de nucleoni) părăsește nucleul compus și se descompune.

Estimați aproximativ durata medie de viață a unui nucleu compus CU* se poate face după cum urmează. Să presupunem că imediat după ciocnirea particulelor există o distribuție n cuante de energie de excitaţie între f grade de libertate cu un nucleon. Numărul total de distribuții posibile este

. (11.9)

Derivarea formulei (11.9) poate fi ilustrată cu următoarea diagramă vizuală: – distribuție n cuante-cruci de f celule separate unele de altele f minus o linie. Numărul total de permutări (adică numărul total de stări ale sistemului) tuturor crucilor și tuturor liniuțelor este egal cu ( n+ f – 1)! Cu toate acestea, permutări numai de cruci și numai liniuțe, ale căror numere sunt egale n! Și ( f – 1)! în consecință, să nu conducă la noi state. Ca urmare, numărul adevărat de state se dovedește a fi n!(f – 1)! ori mai putin.

Să presupunem în continuare, pentru simplitatea raționamentului, că reacția de emisie de nucleoni are loc sub influența particulelor cu energie scăzută, astfel încât E* ≈ W a. Apoi, pentru ca reacția să continue, este necesar să se concentreze totul n cuante la un grad de libertate Numărul de stări în acest caz este pur și simplu egal cu f. Atitudine w = f/gși va determina probabilitatea ca un nucleon să scape dintr-un nucleu compus, i.e. reactii.

Energia de legare a unui nucleon cu un nucleu este în medie de aproximativ 8 MeV. Mărimea cuantumului de excitație este de aproximativ 0,5 MeV. Apoi n= 8 MeV/0,5 MeV = 16. Având în vedere că în urma reacției, separarea unui nucleon este cel mai probabil doar de învelișul exterior, putem pune f ≈ n. Înlocuind aceasta în (11.9), aflăm că

Pentru n= 16 avem w= 5∙10 –8. Modificările stării nucleului apar cu o frecvență de 1/ τ otravă, deci constanta de dezintegrare a nucleului compus λ C* = w /τ otravă, și durata medie de viață τ С* = 1/λ C*– aproximativ 10–14 s. Deci cu adevărat τ С*>> τ otravă.

Se poate observa că un nucleu compus nu este fundamental diferit de un nucleu radioactiv. De asemenea, tinde să piardă energie din cauza oricărui proces posibil în condițiile date. Unul dintre aceste procese (abstracția nucleonilor) a fost deja discutat mai sus. Pentru un nucleu compus, mai multe canale de dezintegrare pot exista simultan. În plus, trecerea la starea fundamentală poate avea loc ca urmare a emisiei unui cuantum γ (această reacție se numește captarea radiațiilor). Emisia de quanta γ de către nucleu are loc sub influența forțelor electromagnetice, adică. pe scara de timp nucleară este, de asemenea, destul de lent (după 10 –11 –10 –7 s – vezi secțiunea 9.3). Astfel, reacțiile de captare radiativă apar și prin nucleul compus.

Secțiunea transversală pentru o reacție care are loc printr-un nucleu compus poate fi scrisă sub forma

, (11.11)

Unde w b– probabilitatea dezintegrarii unui nucleu compus prin canalul b, și

Se numește dependența secțiunii transversale a unei reacții nucleare de energia cinetică a particulelor incidente funcția de excitație.

Informații conexe.

Emisia de particule elementare și energie termică. Razele nucleare pot fi însoțite atât de eliberarea energiei, cât și de absorbția acesteia. Cantitatea de energie se numește energia lui ri și este diferența dintre masele nucleului inițial și final. Clasificări după următoarele criterii: L după energie, elementul de particule participă la radiouri nucleare: la energii joase 1 eV, radiouri pe neutroni lenți: radiouri pe particule electrice de energie medie cu sarcina particulelor electroni protoni ioni deutroni = 1MeV ; pe particulele de înaltă energie de 103 MeV, razele cosmice sunt produse de particulele din acceleratoare...

Distribuiți-vă munca pe rețelele sociale

Dacă această lucrare nu vă convine, în partea de jos a paginii există o listă cu lucrări similare. De asemenea, puteți utiliza butonul de căutare

45. Reacții nucleare și clasificarea lor

Reacțiile nucleare sunt un proces de interacțiune intensă a unui nucleu atomic cu o particulă elementară sau cu un alt nucleu, care duce la transformarea nucleelor. Emisia de particule elementare și energie termică. Interacțiunea particulelor care reacţionează are loc atunci când se apropie una de cealaltă la o distanţă de ordinul a 10~ 13 cm datorita actiunii fortelor nucleare. Cel mai frecvent reacție nucleară este, o particulă ușoară interacționează și cu nucleul X , imaginea rezultată a unei particule electrice b și nucleul X. Reacțiile nucleare pot fi însoțite atât de eliberarea energiei, cât și de absorbția acesteia. Cantitatea de energie se numește p-energie - aceasta este diferența dintre masele nucleelor ​​inițiale și finale. Clasificări în funcție de caracteristicile urmei: L din punct de vedere energetic, elementul de particule participă la reacții nucleare: la energii joase 1 eV - reacții pe neutroni lenți: reacții pe particule electrice de energie medie cu sarcina particulelor - electroni, protoni, ioni, deutroni >= 1 MeV; pe particule de înaltă energie (~10 3 MeV - raze cosmice, particulele sunt produse în acceleratoare) prin natura elementului implicat sunt particule neutroni; pe particulele încărcate; cauzate de y-quanta, de natura (masa) nucleelor ​​care participă la distribuție: pe plămâni (A<50);средних (50<А<100);тяжелых(А>100). P o natura transformărilor: p-radioactivitate; fisiunea nucleelor ​​grele, fisiunea în lanț; sinteza nucleelor ​​ușoare în reacții grele, termonucleare.

Alte lucrări similare care vă pot interesa.vshm>
3041.		Forțele nucleare	4,18 KB
	Obținut din date privind împrăștierea nucleonilor pe nucleoni, precum și din studiile de supraconductivitate a stărilor legate de nucleonii atomici. există o atracție semnificativă care asigură energia de legare a nucleonilor în nuclee de ordinul mai multor. În plus, pe măsură ce numărul de nucleoni din nucleu crește, energia de legare per nucleon rămâne aproximativ constantă, iar volumul nucleului crește proporțional. Densitatea de energie a stelelor neutronice nu depinde de numărul total de nucleoni și este de aproximativ 16 MeV per nucleon [dacă neglijăm electronul.
8005.		REACȚII DE HIPERSENSIBILITATE	120,3 KB
	Reacțiile de hipersensibilitate de tip I pot fi sistemice sau locale. Reacțiile locale depind de locul în care intră antigenul și sunt alergii cutanate și conjunctivite alergice; Reacții de hipersensibilitate de tip I reacții anafilactice Se știe că reacțiile de hipersensibilitate de tip I...
2916.		REACȚII TERMONUCLEARE	14,33 KB
	Aceste reacții implică de obicei eliberarea de energie, deoarece în nucleul mai greu format ca urmare a fuziunii, nucleonii sunt legați mai puternic. Denumirea „reacții termonucleare” reflectă faptul că aceste reacții au loc la temperaturi ridicate de 107108 K, deoarece pentru fuziune nucleele ușoare trebuie să se apropie de distanțe egale cu raza de acțiune a forțelor de atracție nucleare, adică.
3668.		Reacții reversibile și ireversibile	24,08 KB
	Echilibru chimic Unele reacții chimice pot avea loc în două direcții reciproc opuse. Astfel de reacții se numesc reversibile. Reversibilitatea reacţiilor chimice se scrie astfel: A B  B Când are loc o reacţie chimică, concentraţiile substanţelor iniţiale scad conform legii acţiunii masei.
14693.		Reacții de oxidare-reducere (ORR)	87,39 KB
	Starea de oxidare este sarcina condiționată a unui atom dintr-un compus, calculată din ipoteza că este format numai din ioni. ─ starea de oxidare are atomi care au acceptat electroni de la alți atomi sau nori de electroni de legătură sunt deplasați spre ei. Starea de oxidare este pentru atomii care și-au cedat electronii altor atomi.
524.		Reacții de apărare ale organismului	5,56 KB
	Reacții de protecție ale corpului O persoană se adaptează în mod constant la condițiile de mediu în schimbare datorită homeostaziei, proprietatea universală de a păstra și menține stabilitatea diferitelor sisteme ale corpului ca răspuns la influențele care încalcă această stabilitate. Orice influență fiziologică, fizică, chimică sau emoțională, fie că este vorba despre temperatura aerului, modificări ale presiunii atmosferice sau excitare, poate determina organismul să părăsească o stare de echilibru dinamic. Reacții de protecție adaptive...
12985.		Reacții și reactivi denumiți în chimia anorganică	185,79 KB
	În total, sunt cunoscute peste 1000 de reacții organice, anorganice și analitice nominale. Numărul lor continuă să crească, deoarece încă nu există o nomenclatură general acceptată pentru reacțiile chimice. Numirea reacției după descoperitorul ei face posibilă transmiterea pe scurt a sensului transformării care are loc.
14304.		Sinteza p-nitrobenzoil azidei și studiul reacției sale cu anionul hepta(metoxicarbonil)cicloheptatrienil	314,46 KB
	Problema regioselectivității scăzute a fost rezolvată în grupul Sharpless prin utilizarea complexelor CuI generate in situ din săruri CuII mai accesibile prin reducere sub acțiunea acidului ascorbic (Schema 2) în care se observă doar formarea unui regioizomer.
8333.		Istoria dezvoltării tehnologiei informatice. Clasificarea calculatoarelor. Compoziția sistemului de calcul. Hardware și software. Clasificarea software-ului utilitar și aplicativ	25,49 KB
	Compoziția sistemului de calcul. Compoziția unui sistem de calcul Luați în considerare configurația hardware și software. Interfețele oricărui sistem de calcul pot fi împărțite în seriale și paralele. Nivelul de sistem este tranzitoriu, asigurând interacțiunea altor programe de sistem informatic atât cu programe de nivel de bază, cât și direct cu hardware-ul, în special cu procesorul central.
12050.		Un set de reactivi pentru diagnosticarea genetică moleculară a populațiilor de celule B monoclonale și policlonale de limfocite folosind metoda reacției în lanț a polimerazei (LYMPHOCLON)	17,25 KB
	A fost creat un set de reactivi pentru diagnosticarea genetică moleculară a populațiilor de celule B monoclonale și policlonale de limfocite folosind reacția în lanț a polimerazei LYMPHOCLON. Setul de reactivi LYMPHOCLON este destinat diagnosticului diferențial al populațiilor de celule B monoclonale și policlonale de limfocite din materialul de biopsie în secțiuni de țesut de parafină folosind metoda reacției în lanț a polimerazei cu detectarea produselor de amplificare folosind electroforeza verticală pe gel de acrilamidă. Trusa este destinată numai utilizării pentru diagnostic in vitro.