Ядерные реакции под действием альфа частиц

Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 Резерфордом, который использовал в качестве бомбардирующих частиц α-частицы, испускаемые тяжёлыми α-радиоактивными ядрами. В течение длительного времени реакции под действием α-частиц были единственным известным видом ядерных реакций. Только в 1932, когда Кокрофт и Уолтон предложили способ искусственного ускорения протонов, появилась возможность изучать реакции, идущие под действием протонов и ускоренных ионов различных элементов. Под действием α-частиц α-радиоактивных ядер можно изучать ядерные реакции только на лёгких ядрах, т.к. тяжёлые ядра имеют высокий кулоновский барьер (до 25 МэВ), величина которого значительно превышает кинетическую энергию α-частиц (не более 9 МэВ). Основными видами ядерных реакций, идущих под действием α-частиц, являются реакции типа (α,р) и (α,n). Характер протекания ядерных реакций под действием α-частиц определяется двумя факторами: высотой кулоновского барьера и величиной энергии связи α-частицы в ядре. Первая открытая ядерная реакция в современной записи: 7N14+2He4 →8O17+p. (36) Эта реакция - эндотермическая (Q=-1,06 МэВ) и имеет выход 2⋅10-5 (при Eα=7,8 МэВ). Реакция поглощения тепловых нейтронов завершается излучением избыточной энергии в виде γ -квантов. Реакция 13Al27+2He4 →14Si30+p (37) экзотермическая с Q=2,26 МэВ, что приводит к образованию длиннопробежных протонов (пробег в воздухе 90 см). Выход реакции 13Al27(α,n)14Si30 ступенчато увеличивается с ростом энергии α-частиц, что свидетельствует о резонансной зависимости сечения реакции от энергии. Наличие максимумов в сечении означает, что α-частица с соответствующей энергией захватывается на один из квазистационарных уровней промежуточного ядра. Реакции типа (α, n) были открыты Чедвигом в 1932 в опытах по обнаружению нейтрона. Одной из самых известных реакций этого типа является реакция α-частиц с бериллием 4Ве9 +2He4 →6C12+n, Q=5,5 МэВ (38) которая отличается чрезвычайно большим выходом 2,5⋅104 при Еα=5,44 МэВ. Реакции типа (α,n) в отличие от реакций типа (α,p), которые, как правило, дают стабильные продукты, часто используются для получения радиоактивных изотопов Примерами таких реакций являются: 5В10+2Не4 →7Ne13+n,, 13 6 13 10, 7 N С ⎯e ⎯ →мин ⎯⎯+ (39) 2He4 +13Al27→15P30+n,. 30 14 30 5,2, 15P Si ⎯e ⎯ →мин ⎯⎯+ (40) Однако иногда реакция (α,n) может приводить к образованию стабильного ядра. Такие случаи интересны тем, что подобные реакции можно без особого труда направить на обратную сторону, используя ядра, образующиеся в прямой реакции, в качестве мишени для обратной реакции. Примером является реакция 2Не4 +5В11→7N14+n, (41) дающая стабильный изотоп 7N14. Эта реакция имеет Q=0,28 МэВ. Обратной реакцией является процесс n+7N14→7N15→5B11+2He4, (42) для которого Q=-0,28 МэВ. Обе реакции идут через одно и то же промежуточное ядро 7N15, что позволяет определить положение его энергетических уровней.. Как уже упоминалось в предыдущей лекции, ядерные реакции с заряженными частицами (в том числе – реакция α,n) являются пороговыми, причём чем выше энергия α-частицы, тем выше сечение ядерной реакции. Однако, здесь встречаются определённые сложности. Проиллюстрируем их на примере реакции 209Bi(α,xn), т.е. реакции в которой возможно испарение нескольких нейтронов. Зависимость сечений происходящих здесь реакций от энергии α-частицы представлена на Рис. 4. Реакция начинается после достижения порога ЕS, затем сечение увеличивается с ростом энергии, т.к. сечение образования составного ядра также увеличивается. В конце концов, энергия возбуждения составного ядра становится настолько большой, что энергетически становится возможной эмиссия двух нейтронов. Этот процесс эмиссии двух нейтронов доминирует над процессом эмиссии одного нейтрона и сечение однонейтронного процесса уменьшается. После этого уже трёхнейтронный процесс доминирует над двухнейтронном.

Ядерные реакции под действием нейтрино

Деление ядер

Особый вид ядерных реакций может быть осуществлен при делении тяжелых ядер. В 1939 г. экспериментально было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро атома изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием двух-трех нейтронов, например по схеме: (рис. 9). Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 6–9 новых нейтронов и т. д. Процесс может продолжаться сам собою, вовлекая все большее число новых ядер. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией. При делении одного ядра урана выделение энергии составляет примерно 200 МэВ. При делении 1 кг ядер урана выделяется примерно 8·10¹³ Дж. Это в 2,5 млн. раз больше выделения энергии при сжигании 1 кг каменного угля.

Цепная реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7% из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235.

Первое необходимое условие для осуществления цепной реакции деления – разделение изотопов урана. Однако и после разделения изотопов цепная реакция происходит не в любом количествеурана-235. В малом количестве урана большинство нейтронов покидают образец, не встретив на своем пути ни одного ядра урана, так как размеры ядер очень малы и вероятность попадания в них невелика. Цепная реакция может развиваться в том случае, если количество урана больше некоторого минимального значения – критической массы. При этом важна и форма образца. Для шара изурана-235 критическая масса имеет значение около 0,8 кг.

Энергия цепных реакций деления ядер урана и плутония используется при взрывах атомных бомб.

Для управления ходом цепной реакции в ядерном реакторе используются управляющие стержни, содержащие изотопы бора или кадмия, эффективно поглощающие тепловые нейтроны. Энергия, выделяющаяся в процессе цепной реакции деления, выводится из активной зоны реактора теплоносителем. На атомных электростанциях теплоноситель в активной зоне нагревается до высокой температуры, затем передает энергию воде, превращая ее в пар. Пар приводит в действие паровую турбину, турбина вращает ротор электрогенератора

Радиационный захват

Радиационный захват нейтронов - ядерная реакция (n, γ), в которой ядро-мишень захватывает нейтрон, а энергия возбуждения образующегося ядра излучается в виде γ-кванта. Вероятность радиационного захвата зависит от свойств ядра-мишени и от энергии нейтрона E. Вероятность радиационного захвата, как правило, уменьшается с ростом Е (исключения составляют резонансные реакции). Для медленных нейтроновэффективное поперечное сечение радиационного захвата пропорционально E-1/2. Исследование спектра γ- лучей радиационного захвата позволяет определять характеристики образующихся ядер (уровни энергии, спины, чётности). Радиационный захват широко используется для получения радиоактивных изотопов. Этим объясняется его применение в смежных областях. Радиационный захват является основным процессом, обусловливающим поглощение нейтронов в процессе работы ядерных реакторов; его используют для регулирования работы реактора. Так как реакции вида (n,γ) сводятся к захвату нейтрона с последующим испусканием γ-кванта, они называются реакциями радиационного захвата нейтрона. Реакции радиационного захвата идут под действием медленных нейтронов с энергией от 0 до 500 кэВ и широко используются для их детектирования. Реакция радиационного захвата, являясь экзоэнергетической реакцией, идёт на всех ядрах (за исключением 3Не и 4Не), начиная с ядра 1Н и заканчивая ядром 238U. Сечение для тепловых нейтронов в зависимости от нуклида варьируется в широких пределах от 0,1 до 103÷ 106 барн, для быстрых – от 0,1 до несколько барн.