В ядерной физике и ядерной химии ядерная реакция — это процесс, в котором два ядра или ядро и внешняя субатомная частица сталкиваются, образуя один или несколько новых нуклидов . Таким образом, ядерная реакция должна вызывать преобразование по крайней мере одного нуклида в другой. Если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей, они затем разделяются, не изменяя природу какого-либо нуклида, этот процесс просто называют типом ядерного рассеяния , а не ядерной реакцией.
В принципе, реакция может включать в себя столкновение более двух частиц , но поскольку вероятность встречи трех или более ядер в одно и то же время 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 с материей, и ядерные реакции могут быть использованы искусственно для получения ядерной энергии с регулируемой скоростью по требованию. Ядерные цепные реакции в расщепляемых материалах производят вынужденное ядерное деление . Различные ядерные реакции синтеза легких элементов обеспечивают производство энергии Солнцем и звездами.
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 из одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. В конце концов, в 1932 году в Кембриджском университете полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были достигнуты коллегами Резерфорда Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном , 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 Ганом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом . [1]
Ядерные реакции могут быть показаны в форме, похожей на химические уравнения, для которых инвариантная масса должна быть сбалансирована для каждой стороны уравнения, и в которых преобразования частиц должны следовать определенным законам сохранения, таким как сохранение заряда и барионного числа (общее атомное массовое число ). Пример этой записи приведен ниже:
Чтобы сбалансировать приведенное выше уравнение для массы, заряда и массового числа, второе ядро справа должно иметь атомный номер 2 и массовое число 4; следовательно, это также гелий-4. Полное уравнение, таким образом, выглядит так:
или проще:
Вместо использования полных уравнений в стиле выше, во многих ситуациях используется компактная запись для описания ядерных реакций. Этот стиль формы A(b,c)D эквивалентен A + b, производящему c + D. Обычные легкие частицы часто сокращаются в этом сокращении, как правило, p для протона, n для нейтрона, d для дейтрона , α представляет альфа-частицу или гелий-4 , β для бета-частицы или электрона, γ для гамма-фотона и т. д. Реакция выше будет записана как 6 Li(d,α)α. [2] [3]
Кинетическая энергия может высвобождаться в ходе реакции ( экзотермическая реакция ) или кинетическая энергия может быть предоставлена для того, чтобы реакция имела место ( эндотермическая реакция ). Это можно рассчитать, ссылаясь на таблицу 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 имеет 2,014 u, а ядро гелия-4 имеет 4,0026 u. Таким образом:
В ядерной реакции полная (релятивистская) энергия сохраняется . «Пропавшая» масса покоя должна, следовательно, появиться вновь в виде кинетической энергии, высвобождаемой в реакции; ее источником является энергия ядерной связи . Используя формулу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E = mc2 , можно определить количество высвобождаемой энергии. Сначала нам нужен энергетический эквивалент одной атомной единицы массы :
Следовательно, выделяющаяся энергия составляет 0,0238 × 931 МэВ = 22,2 МэВ .
Выражаясь по-другому: масса уменьшается на 0,3%, что соответствует 0,3% от 90 ПДж/кг, что составляет 270 ТДж/кг.
Это большое количество энергии для ядерной реакции; оно так велико, потому что энергия связи на нуклон ядра гелия-4 необычайно высока, поскольку 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 таким же образом, как пара электронов в атоме гелия занимает заполненную 1s- электронную орбиталь ). Следовательно, альфа-частицы часто появляются в правой части ядерных реакций.
Энергия, выделяющаяся в ядерной реакции, может проявляться в основном одним из трех способов:
Когда ядро продукта метастабильно, это обозначается звездочкой ( "*") рядом с его атомным номером. Эта энергия в конечном итоге высвобождается посредством ядерного распада .
Небольшое количество энергии может также возникнуть в виде рентгеновских лучей . Как правило, ядро продукта имеет другой атомный номер, и, таким образом, конфигурация его электронных оболочек неправильная. Поскольку электроны перестраиваются и опускаются на более низкие энергетические уровни, могут испускаться внутренние переходные рентгеновские лучи (рентгеновские лучи с точно определенными линиями излучения ).
Записывая уравнение реакции, аналогично химическому уравнению , можно, кроме того, указать энергию реакции в правой части:
Для частного случая, рассмотренного выше, энергия реакции уже была рассчитана как Q = 22,2 МэВ. Следовательно:
Энергия реакции («Q-value») положительна для экзотермических реакций и отрицательна для эндотермических реакций, в противоположность аналогичному выражению в химии . С одной стороны, это разность между суммами кинетических энергий на конечной стороне и на начальной стороне. Но с другой стороны, это также разность между массами покоя ядер на начальной стороне и на конечной стороне (таким образом мы вычислили Q -value выше).
Если уравнение реакции сбалансировано, это не означает, что реакция действительно происходит. Скорость, с которой происходят реакции, 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 .
В начальном столкновении, которое начинает реакцию, частицы должны подойти достаточно близко, чтобы на них могла воздействовать сильная сила короткого действия . Поскольку большинство обычных ядерных частиц заряжены положительно, это означает, что они должны преодолеть значительное электростатическое отталкивание, прежде чем реакция сможет начаться. Даже если целевое ядро является частью нейтрального атома , другая частица должна проникнуть далеко за пределы электронного облака и близко приблизиться к ядру, которое заряжено положительно. Таким образом, такие частицы должны быть сначала ускорены до высокой энергии, например, с помощью:
Кроме того, поскольку сила отталкивания пропорциональна произведению двух зарядов, реакции между тяжелыми ядрами происходят реже и требуют более высокой инициирующей энергии, чем реакции между тяжелым и легким ядром; в то время как реакции между двумя легкими ядрами являются наиболее распространенными.
Нейтроны , с другой стороны, не имеют электрического заряда, чтобы вызвать 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, возможно, значительно увеличивая его сечение захвата при энергиях, близких к резонансам вовлеченных ядер. Таким образом, нейтроны с низкой энергией могут быть даже более реактивными, чем нейтроны с высокой энергией.
Хотя число возможных ядерных реакций огромно, есть несколько типов, которые более распространены или иным образом примечательны. Вот некоторые примеры:
Снаряд промежуточной энергии переносит энергию или забирает или теряет нуклоны в ядре за один быстрый (10−21 секунды ) процесс. Передача энергии и импульса относительно невелика. Они особенно полезны в экспериментальной ядерной физике, поскольку механизмы реакции часто достаточно просты для расчета с достаточной точностью для исследования структуры целевого ядра.
Передаются только энергия и импульс.
Энергия и заряд передаются между снарядом и целью. Вот некоторые примеры такого рода реакций:
Обычно при умеренно низкой энергии один или несколько нуклонов передаются между снарядом и мишенью. Они полезны при изучении внешней структуры оболочки ядер. Реакции передачи могут происходить:
Примеры:
Реакции с нейтронами важны в ядерных реакторах и ядерном оружии . В то время как 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 передачи:
Некоторые реакции возможны только с быстрыми нейтронами :
Либо низкоэнергетический снаряд поглощается, либо частица с более высокой энергией передает энергию ядру, оставляя его со слишком большой энергией, чтобы быть полностью связанным вместе. В масштабе времени около 10 −19 секунд частицы, обычно нейтроны, «выкипают». 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 .
