химический каталог




ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, превращения атомных ядер при взаимодействии с другими ядрами, элементарными частицами иликвантами. Такое определение разграничивает собственно ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см. Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов различные элементов) либоквантов, к-рыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени. По энергиям бомбардирующих частиц условно различают ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. при низких ( < 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают реакции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А < 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (около 10-13 см), т. е. на расстояние, при котором действуют силы внутриядерного взаимодействия между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. частицы - и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т.называют кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени. Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера, и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет около 10 МэВ. В случае, если в ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).
Обсуждается возможность протекания ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на поверхности твердого тела (например, с участием ядер атомов газа дейтерия, растворенного в палладии); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. ("холодного термоядерного синтеза") нет.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные химический реакции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса). Кроме того, при протекании ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. действуют и некоторые специфический законы, не проявляющиеся в химический реакциях, например, закон сохранения барионного заряда (барионы - тяжелые элементарные частицы).
Записывать ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона:

Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ химический элемента однозначно указывает на его ат. номер (заряд ядра), то при записи ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. записывают короче. Так, ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. образования радионуклида 14С при облучении ядер 14N нейтронами записывают следующей образом: 14N(n, р)14С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу иликвант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р.
При столкновении одних и тех же частиц Я. р. могут идти различные способами. Например, при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать следующей ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р.: 27Al(n,)28Al, 27Al(n, n)27Al, 27Al(n, 2n)26Al, 27Al(n, p)27Mg, 27Al(n,)24Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц называют входным каналом ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р., а частицы, рождающиеся в результате ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р., образуют выходной канал.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. могут протекать с выделением и поглощением энергии Q. Если в общем виде записать ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. как А(a, b)В, то для такой ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. энергия равна: Q = [(МА + Ма) - (Мв + Мb)] x с2, где М -массы участвующих в ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. частиц; с - скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (см. Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Q имеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10-7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается Я. р., может в 106 раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при химический реакциях. Поэтому при ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. Возможность выделения огромных кол-в энергии при осуществлении ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. лежит в основе ядерной энергетики (см. Ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р., а также соотношений между углами, под к-рыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики - кинематику ядерных реакций.

Механизмы ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. Характер взаимодействие налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных свойств взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление называют упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер 27Al ему отвечает ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. 27Al(п, п)27Al. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Это - т.называют прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно около 10-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы.
При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10-15-10-16 с. Это время отвечает времени жизни т.называют составного ядра- ядерной системы, образующейся в ходе ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или несколько нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, например, дейтрон d, тритон t иличастицу.
Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, который должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядро испускаетквант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, которое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.

Эффективное сечение ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. В отличие от большинства химический реакций, при которых исходные вещества, взятые в стехиометрич. количествах, реагируют между собой нацело, ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. вызывает только небольшая доля из всех бомбардирующих частиц, упавших на мишень. Это объясняется тем, что ядро занимает ничтожно малую часть объема атома, так что вероятность встречи налетающей частицы, проходящей через мишень, с ядром атома очень мала. Кулоновский потенциальный барьер между налетающей частицей и ядром (при их одинаковом заряде) также препятствует ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. Для количественное характеристики вероятности протекания ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. используют понятие эффективного сечения а. Оно характеризует вероятность перехода двух сталкивающихся частиц в определенное конечное состояние и равно отношению числа таких переходов в единицу времени к числу бомбардирующих частиц, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению их движения. Эффективное сечение имеет размерность площади и по порядку величины сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (около 10-28 м2). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10-28 м2).
Реальные значения для различных ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. изменяются в широких пределах (от 10-49 до 10-22 м2). Значение зависит от природы бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от свойств облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать так называемой резонансный захват нейтронов, который характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетическая энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на несколько порядков превышать нерезонансное сечение.
Если бомбардирующая частица способна вызывать протекание ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений различные процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.
Эффективные сечения ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. для ядер различные изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р., т. е. отношение числа актов ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см2) мишени, обычно не превышают 10-6-10-3. Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см2 поверхности мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см2 мишени, а также значению эффективного сечения Я. р. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. под действием нейтронов не более несколько мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса вещества, полученного в той или иной Я. р., значительно меньше.

Бомбардирующие частицы. Для осуществления Я. р. используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t, частицы, тяжелые ионы (12С, 22Ne, 40Аr и др.), электроны е икванты. Источниками нейтронов (см. Нейтронные источники)при проведении Я. р. служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя, например 226Ra (так называемой ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев Я. р. выше для нейтронов с малыми энергиями (тепловые нейтроны), то перед тем, как направить поток нейтронов на мишень, их обычно замедляют, используя парафин, графит и др. материалы. В случае медленных нейтронов основные процесс почти для всех ядер - радиационный захват - ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. типа т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов ичастиц. Под действием нейтронов протекают цепные реакции деления.
В случае использования в качестве бомбардирующих частиц протонов, дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя различные ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро. При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиболее выходы ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия связи протона и нейтрона в дейтроне относительно мала, и соответственно, велико расстояние между протоном и нейтроном.
При использовании в качестве бомбардирующих частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон - протон или нейтрон, второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения могут достигаться при проведении ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому Я. р. с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих ядер до температуры около 107 К. Такие ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. называют термоядерными. В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные реакции с участием дейтерия, дейтерия и трития, дейтерия и лития и др. осуществлены при взрывах термоядерных (водородных) бомб.
Длячастиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ. Равновероятны ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. и Продукты ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. обычнорадиоактивны, для ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р.- обычно стабильные ядра.
Для синтеза новых сверхтяжелых химический элементов (с атомный номер больше 100) важное значение имеют ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р., протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (22Ne, 40Аr и др.). Например, по ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. может быть осуществлен синтез фермия. Для ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. с тяжелыми ионами характерно большое число выходных каналов. Например, при бомбардировке ядер 232Th ионами 40Аr образуются ядра Са, Аr, S, Si, Mg, Ne.
Для осуществления ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. под действиемквантов пригодны кванты высоких энергий (десятки МэВ).Кванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние. Протекающие под действием налетающихквантов Я. р. называют фотоядерными, этих реакций достигают 1030 м2.
Хотя электроны имеют заряд, противоположный заряду ядер, проникновение электронов в ядро возможно только в тех случаях, когда для облучения ядер используют электроны, энергия которых превышает десятки МэВ. Для получения таких электронов применяют бетатроны и др. ускорители.
Исследования ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. дают разнообразную информацию о внутр. строении ядер. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. с участием нейтронов позволяют получать огромное количество энергии в ядерных реакторах. В результате ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. деления под действием нейтронов образуется большое число различные радионуклидов, которые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. позволяют получать меченые соединения. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. лежат в основе активационного анализа. С помощью ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ р. осуществлен синтез искусственных химический элементов (технеция, прометия, трансурановых элементов, трансактиноидов).

Литература: Давыдов А. С, Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., 1965; Вильдермут К., Тан ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ, Единая теория ядра, пер. с англ., М., 1980.

С. С. Бердоносов.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
гастроли киркорова наь2017 год
плитка польская саличе
часы g-chok
тематические детские площадки

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(08.12.2016)