В ядерной физике и ядерной химии ядерная реакция — это процесс, в котором два ядра или ядро и внешняя субатомная частица сталкиваются с образованием одного или нескольких новых нуклидов . Таким образом, ядерная реакция должна вызвать превращение хотя бы одного нуклида в другой. Если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей, а затем они разделяются без изменения природы какого-либо нуклида, этот процесс называется просто типом ядерного рассеяния , а не ядерной реакцией.
В принципе, реакция может включать столкновение более чем двух частиц , но поскольку вероятность встречи трех или более ядер одновременно в одном и том же месте намного меньше, чем для двух ядер, такое событие исключительно редко (см. Тройной альфа процесс для примера, очень близкого к трехчастичной ядерной реакции). Термин «ядерная реакция» может относиться либо к изменению нуклида, вызванному столкновением с другой частицей, либо к спонтанному изменению нуклида без столкновения.
Естественные ядерные реакции происходят при взаимодействии космических лучей и вещества, а ядерные реакции можно использовать искусственно для получения ядерной энергии с регулируемой скоростью и по требованию. Цепные ядерные реакции в делящихся материалах приводят к индуцированному ядерному делению . Различные реакции ядерного синтеза легких элементов обеспечивают производство энергии Солнца и звезд.
В 1919 году Эрнест Резерфорд смог осуществить трансмутацию азота в кислород в Манчестерском университете, используя альфа-частицы, направленные на азот 14 N + α → 17 O + p. Это было первое наблюдение индуцированной ядерной реакции, то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. В конце концов, в 1932 году в Кембриджском университете коллеги Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон осуществили полностью искусственную ядерную реакцию и ядерную трансмутацию , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома », хотя это не была современная реакция ядерного деления, позже (в 1938 году), открытая в тяжелых элементах немецкими учеными Отто Ханом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом . [1]
Ядерные реакции можно представить в форме, аналогичной химическим уравнениям, для которых инвариантная масса должна уравновешиваться для каждой стороны уравнения и в которых превращения частиц должны подчиняться определенным законам сохранения, таким как сохранение заряда и барионного числа (общая атомная масса число ). Ниже приведен пример этой записи:
Чтобы сбалансировать приведенное выше уравнение для массы, заряда и массового числа, второе ядро справа должно иметь атомный номер 2 и массовый номер 4; следовательно, это тоже гелий-4. Таким образом, полное уравнение выглядит следующим образом:
или проще:
Вместо использования полных уравнений в приведенном выше стиле во многих ситуациях для описания ядерных реакций используются компактные обозначения. Этот стиль формы A(b,c)D эквивалентен A + b, производящий c + D. Обычные легкие частицы часто обозначаются этим сокращением, обычно p для протона, n для нейтрона, d для дейтрона , α представляет альфа частица или гелий-4 , β для бета-частицы или электрона, γ для гамма-фотона и т. д. Приведенную выше реакцию можно было бы записать как 6 Li(d,α)α. [2] [3]
Кинетическая энергия может высвобождаться в ходе реакции ( экзотермическая реакция ) или для того, чтобы реакция имела место, может потребоваться подвод кинетической энергии ( эндотермическая реакция ). Это можно рассчитать, обратившись к таблице очень точных масс покоя частиц [4] следующим образом: согласно справочным таблицам,6
3Ли
Ядро имеет стандартный атомный вес 6,015 атомных единиц массы (сокращенно u ), дейтерий — 2,014 u, а ядро гелия-4 — 4,0026 u. Таким образом:
В ядерной реакции сохраняется полная (релятивистская) энергия . Таким образом, «недостающая» масса покоя должна снова появиться в виде кинетической энергии, высвобождаемой в реакции; его источником является энергия связи ядра . Используя формулу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E = mc 2 , можно определить количество выделившейся энергии. Сначала нам нужен энергетический эквивалент одной атомной единицы массы :
Следовательно, выделившаяся энергия равна 0,0238×931 МэВ = 22,2 МэВ .
Выражаемся иначе: масса уменьшается на 0,3%, что соответствует 0,3%: 90 ПДж/кг составляет 270 ТДж/кг.
Это большое количество энергии для ядерной реакции; это количество настолько велико, потому что энергия связи на нуклон ядра гелия-4 необычно высока, потому что ядро He-4 является « вдвойне магическим ». (Ядро He-4 необычайно стабильно и прочно связано по той же причине, по которой атом гелия инертен: каждая пара протонов и нейтронов в He-4 занимает заполненную 1s- ядерную орбиталь точно так же, как пара электронов в He-4. Атом гелия занимает заполненную 1s- электронную орбиталь ). Следовательно, альфа-частицы часто появляются в правой части ядерных реакций.
Энергия, выделяющаяся при ядерной реакции, может проявляться преимущественно одним из трех способов:
Когда ядро продукта метастабильно, это обозначается звездочкой ( «*») рядом с его атомным номером. Эта энергия в конечном итоге высвобождается в результате ядерного распада .
Небольшое количество энергии также может появиться в виде рентгеновских лучей . Как правило, ядро продукта имеет другой атомный номер, и, следовательно, конфигурация его электронных оболочек неправильная. Когда электроны перестраиваются и опускаются на более низкие энергетические уровни, могут испускаться внутренние переходные рентгеновские лучи (рентгеновские лучи с точно определенными эмиссионными линиями ).
Записывая уравнение реакции аналогично химическому уравнению , в правой части можно дополнительно указать энергию реакции:
Для рассмотренного выше частного случая энергия реакции уже рассчитана как Q = 22,2 МэВ. Следовательно:
Энергия реакции («значение Q») положительна для экзотермических реакций и отрицательна для эндотермических реакций, в отличие от аналогичного выражения в химии . С одной стороны, это разница между суммами кинетических энергий на конечной и начальной стороне. Но с другой стороны, это также разница между массами покоя ядра на начальной и конечной стороне (именно таким образом мы рассчитали значение Q выше ).
Если уравнение реакции сбалансировано, это не означает, что реакция действительно происходит. Скорость протекания реакций зависит от энергии и потока падающих частиц, а также сечения реакции . Примером большого хранилища скоростей реакций является база данных REACLIB, поддерживаемая Объединенным институтом ядерной астрофизики .
При начальном столкновении, с которого начинается реакция, частицы должны сблизиться достаточно близко, чтобы на них могла воздействовать сильная сила ближнего действия . Поскольку большинство распространенных ядерных частиц заряжены положительно, это означает, что они должны преодолеть значительное электростатическое отталкивание, прежде чем реакция сможет начаться. Даже если ядро-мишень является частью нейтрального атома , другая частица должна проникнуть далеко за пределы электронного облака и вплотную приблизиться к ядру, которое заряжено положительно. Таким образом, такие частицы необходимо сначала ускорить до высоких энергий, например:
Кроме того, поскольку сила отталкивания пропорциональна произведению двух зарядов, реакции между тяжелыми ядрами происходят реже и требуют более высокой энергии инициирования, чем реакции между тяжелым и легким ядрами; в то время как реакции между двумя легкими ядрами являются наиболее распространенными.
Нейтроны , с другой стороны, не имеют электрического заряда, вызывающего отталкивание, и способны инициировать ядерную реакцию при очень низких энергиях. Фактически, при чрезвычайно низких энергиях частиц (соответствующих, скажем, тепловому равновесию при комнатной температуре ) длина волны де Бройля нейтрона значительно увеличивается, что, возможно, значительно увеличивает его сечение захвата, при энергиях, близких к резонансам участвующих ядер. Таким образом, нейтроны низкой энергии могут быть даже более реакционноспособными, чем нейтроны высокой энергии.
Хотя число возможных ядерных реакций огромно, есть несколько типов, которые более распространены или примечательны. Вот некоторые примеры:
Снаряд промежуточной энергии передает энергию, захватывает или теряет нуклоны ядру за одно быстрое (10–21 секунда ) событие. Передача энергии и импульса относительно невелика. Они особенно полезны в экспериментальной ядерной физике, поскольку механизмы реакций часто достаточно просты, чтобы их можно было рассчитать с достаточной точностью, чтобы исследовать структуру целевого ядра.
Передаются только энергия и импульс.
Энергия и заряд передаются между снарядом и целью. Некоторые примеры такого рода реакций:
Обычно при умеренно низкой энергии один или несколько нуклонов передаются между снарядом и мишенью. Они полезны при изучении структуры внешней оболочки ядер. Могут происходить реакции передачи от снаряда к цели; реакции зачистки, или от цели к снаряду; реакции захвата.
Реакции с нейтронами важны в ядерных реакторах и ядерном оружии . Хотя наиболее известными нейтронными реакциями являются рассеяние нейтронов , захват нейтронов и деление ядер , для некоторых легких ядер (особенно нечетно-нечетных ядер ) наиболее вероятной реакцией с тепловым нейтроном является реакция переноса:
Некоторые реакции возможны только с быстрыми нейтронами :
Либо снаряд с низкой энергией поглощается, либо частица с более высокой энергией передает энергию ядру, оставляя его со слишком большим количеством энергии, чтобы полностью связаться вместе. За время около 10–19 секунд частицы, обычно нейтроны, «выпариваются». То есть они остаются вместе до тех пор, пока в одном нейтроне не сосредоточится достаточно энергии, чтобы избежать взаимного притяжения. Возбужденное квазисвязанное ядро называется составным ядром .
