Profesor

I.N. Bekman

NUKLEÁRNÍ FYZIKA

Přednáška 16. JADERNÉ INTERAKCE

Rozvoj jaderné fyziky je do značné míry určen výzkumem v oblasti jaderných reakcí. V této přednášce se budeme zabývat moderní klasifikací jaderných interakcí, jejich

termodynamika a kinetika, stejně jako některé příklady jaderných reakcí.

1. KLASIFIKACE JADERNÝCH REAKCÍ

Prostřednictvím akce jaderné síly dvě částice (dvě jádra nebo jádro a nukleon) při přiblížení na vzdálenosti řádově 10 -13 cm vstupují do intenzivní jaderné interakce, což vede k transformaci jádra. Tento proces se nazývá jaderná reakce. Během jaderné reakce dochází k redistribuci energie a hybnosti obou částic, což vede ke vzniku několika dalších částic unikajících z místa interakce. Když se dopadající částice srazí s atomovým jádrem, dojde mezi nimi k výměně energie a hybnosti, v důsledku čehož může vzniknout několik částic, které odletí z různých oblastí interakce v různých směrech.

Jaderné reakce- transformace atomových jader při interakci s elementárními částicemi, γ-kvanty nebo navzájem.

Jaderná reakce je proces tvorby nových jader nebo částic při srážkách jader nebo částic. E. Rutherford poprvé pozoroval jadernou reakci v roce 1919, bombardoval jádra atomů dusíku α-částicemi; bylo to zaznamenáno výskytem sekundárních ionizujících částic s rozsahem v plynu větším, než je rozsah α-částic a identifikovány jako protony. Následně byly pomocí fotoaparátu Wilson získány fotografie tohoto procesu.

Rýže. 1. Procesy probíhající v průběhu jaderných reakcí

(jsou uvedeny vstupní a výstupní reakční kanály).

První jadernou reakci provedl E. Rutherford v roce 1919: 4 He + 14 N → 17 O + p nebo 14 N (α, p) 17 O. Zdrojem a -částic byl a -radioaktivní přípravek. Radioaktivní α-léky byly v té době jedinými zdroji nabitých částic. První urychlovač speciálně navržený pro studium jaderných reakcí vyrobili Cockcroft a Walton v roce 1932. Tento urychlovač byl prvním

byl získán paprsek zrychlených protonů a byla provedena reakce p + 7 Li → α + α.

Jaderné reakce jsou hlavní metodou pro studium struktury a vlastností atomových jader. V jaderných reakcích jsou studovány mechanismy interakce částic s atomovými jádry, mechanismy interakce mezi atomovými jádry. V důsledku jaderných reakcí se získávají nové izotopy, které se nenacházejí v přírodních podmínkách, a chemické prvky... Pokud jsou po srážce zachována původní jádra a částice a nenarodí se nová, pak je reakcí pružný rozptyl v oblasti jaderných sil, doprovázený pouze přerozdělováním Kinetická energie a hybnost částice a cílového jádra a nazývá se potenciál

rozptyl.

Důsledkem interakce bombardujících částic (jader) s cílovými jádry může být:

1) Elastický rozptyl, při kterém se nemění ani složení, ani vnitřní energie, ale pouze redistribuce kinetické energie dochází v souladu se zákonem vnitřního nárazu.

2) Neelastické rozptyl, při kterém se složení interagujících jader nemění, ale část kinetické energie bombardujícího jádra je vynaložena na vzrušení cílového jádra.

3) Vlastně jaderná reakce, v důsledku které se mění vnitřní vlastnosti a složení interagujících jader.

	Rýže. 2. Jaderná reakce lithia-6 s deuteriem 6 Li (d, α) α
	Jaderné reakce jsou silné, elektromagnetické a slabé
	interakce.
	Je známo mnoho různých typů reakcí. Mohou být zařazeny do
	reakce při působení neutronů, při působení nabitých částic a při působení
	PROTI obecný pohled jadernou interakci lze zapsat ve formě
	a1 + a2 → b1 + b2 +…,
	kde a 1 a a 2 jsou částice, které vstupují do reakce, a b 1, b 2, ... jsou částice,
vznikající reakcí (reakční produkty).
	Nejběžnějším typem reakce je interakce lehké částice a s jádrem A, v
v důsledku čehož se vytvoří lehká částice b a jádro B
	a + A → b + B
	Nebo kratší
	A (a, b) B.

Jako a a b lze brát neutron (n), proton (p), α - částice, deuteron (d) a γ -kvantum.

Příklad 1. Jaderná reakce

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

proti zkráceně jako 14 N (α, p) 17 O

Příklad 2. Zvažte reakci 59 Co (p, n). Jaký je produkt této reakce? Řešení. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

na levé straně máme 27 + 1 proton. S pravá strana 0 + X protonů, kde X je atomové číslo součinu. Je zřejmé, že X = 28 (Ni). Na levé straně je 59 + 1 nukleonů a na pravé straně 1 + Y nukleonů, kde Y = 59. Reakčním produktem je tedy 59 Ni.

Reakce může probíhat několika konkurenčními způsoby:

Rozličný možné způsoby průběh jaderné reakce ve druhém stupni se nazývá reakční kanály. První část reakce se nazývá vstupní kanál.

Rýže. 3. Kanály interakce protonů se 7 Li.

Poslední dva reakční kanály ve schématu (6) se týkají případů neelastického (A * + a) a elastického (A + a) jaderného rozptylu. Jedná se o speciální případy jaderné interakce, které se od ostatních liší tím, že se reakční produkty shodují s částicemi,

reagující, přičemž elastický rozptyl zachovává nejen typ jádra, ale také jeho vnitřní stav, zatímco nepružný rozptyl se mění vnitřní stav jádra (jádro přechází do excitovaného stavu). Možnost různých reakčních kanálů je dána projektilem, jeho energií a jádrem.

Při studiu jaderné reakce je zajímavé identifikovat reakční kanály, srovnávací pravděpodobnost jejího postupu různými kanály při různých energiích dopadajících částic, energii a úhlové rozložení výsledných částic, jakož i jejich vnitřní stav (excitace) energie, spin, parita, izotopové spin).

Jaderné reakce jsou transformace atomových jader při interakci s elementárními částicemi (včetně y-kvant) nebo navzájem. Nejběžnějším typem jaderné reakce je reakce, napsaná symbolicky takto:

kde X a Y jsou počáteční a konečné jádra, A a B- bombardování a emitované (nebo emitované) částice v jaderné reakci.

Při jakékoli jaderné reakci platí zákony zachování náboje a hromadná čísla: součet poplatku (masivní) počet jader a částic vstupujících do jaderné reakce se rovná součtu čísel náboje (hmotnosti) konečných produktů (jader a částic) reakce... Také provedeno zákony zachování energie, hybnost a moment hybnosti.

Na rozdíl od radioaktivního rozpadu, ke kterému vždy dochází při uvolňování energie, mohou být jaderné reakce jak exotermické (s uvolňováním energie), tak endotermické (s absorpcí energie).

Důležitou roli při vysvětlení mechanismu mnoha jaderných reakcí sehrál předpoklad N. Bohra (1936), že jaderné reakce probíhají ve dvou fázích podle následujícího schématu:

První fází je zachycení částice a jádrem X, které se k ní přiblížilo na vzdálenost působení jaderných sil (přibližně 2 10 15 m), a vytvoření přechodného jádra C, nazývaného sloučenina (nebo sloučenina) jádro). Energie částice, která letěla do jádra, se rychle distribuuje mezi nukleony složeného jádra, v důsledku čehož se objeví ve vzrušeném stavu. Při srážce nukleonů složeného jádra může jeden z nukleonů (nebo jejich kombinace například deuteron - jádro těžkého izotopu vodíku - deuteria obsahující jeden proton a jeden neutron) nebo cx -částice přijmout energie dostatečná k úniku z jádra. V důsledku toho je možný druhý stupeň jaderné reakce - rozpad složeného jádra na jádro Y a částici B.

Klasifikace jaderných reakcí

Podle povahy částic účastnících se reakcí:

• reakce pod vlivem neutronů;
• reakce způsobené nabitými částicemi (např. protony, (částice X).

Energií částic způsobujících reakce:

• reakce při nízkých energiích (řádově eV), probíhající hlavně za účasti neutronů;
• reakce na střední energie (několik MeV) zahrnující kvanta a nabité částice;
• reakce při vysokých energiích (stovky a tisíce MeV), vedoucí k vytvoření elementárních částic, které ve volném stavu chybí a mají velká důležitost studovat je.

Podle povahy jader zapojených do reakcí:

• reakce na lehká jádra (A 50);
• reakce na středních jádrech (50 A
• reakce na těžká jádra (A> 150).

Podle povahy probíhajících jaderných transformací:

• reakce s emisí neutronů;
• reakce s emisí nabitých částic. Vůbec první jaderná reakce (Rutherford; 1919)

Jaderné reakce jsou transformace atomových jader při interakci s elementárními částicemi (včetně y-kvanta) nebo navzájem. Symbolické reakce jsou psány ve formě:

X + a → Y + b, nebo X (a, b) Y

kde X a Y jsou počáteční a konečné jádra, a a b jsou bombardující a emitované (nebo emitované) částice v jaderné reakci.

V každé jaderné reakci jsou splněny zákony zachování elektrických nábojů a hmotnostních čísel: součet nábojů (a hmotnostních čísel) jader a částic vstupujících do jaderné reakce se rovná součtu nábojů (a součtu hmotnostních čísel) konečných produktů (jader a částic) reakce. Jsou také splněny zákony zachování energie, hybnosti a momentu hybnosti.

Jaderné reakce mohou být jak exotermické (s uvolňováním energie), tak endotermické (s absorpcí energie).

Jaderné reakce jsou klasifikovány:

1) povahou částic, které se jich účastní - reakce pod vlivem neutronů; nabité částice; γ-kvanta;

2) energií částic, které je způsobují - reakce při nízké, střední a vysoké energii;

3) povahou jader, která se jich účastní - reakce na plicích (A.< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) jádra;

4) podle povahy probíhajících jaderných transformací - reakce s emisí neutronů, nabitých částic; záchytné reakce (v případě těchto reakcí složené jádro nevyzařuje žádné částice, ale přechází do základního stavu, přičemž vyzařuje jedno nebo více y-kvant).

Vůbec první jadernou reakci provedl Rutherford

1939 - O. Hahn a F. Strassmann objevili štěpení uranových jader: když je uran bombardován neutrony, objeví se prvky střední části periodický systém- radioaktivní izotopy barya (Z = 56), kryptonu (Z = 36) - štěpné fragmenty atd. Štěpení těžkého jádra na dva fragmenty je doprovázeno uvolňování energieřádově 1 MeV pro každý nukleon.

Existují například dva možné scénáře štěpné reakce jader uranu.

Teorie štěpení atomových jader je založena na drop core model... Jádro je považováno za kapku elektricky nabité nestlačitelné kapaliny (a) s hustotou rovnou jaderné a dodržující zákony kvantové mechaniky. Když je zachycen neutron, stabilita takto nabité kapičky je narušena, jádro přijde váhání- střídavě natažené, poté stlačené. Pravděpodobnost jaderného štěpení je dána aktivační energií - minimální energií potřebnou k provedení reakce jaderného štěpení. Při excitačních energiích nižších, než je aktivační energie štěpení, nedosáhne deformace kapičkového jádra kritického (b), jádro se neštěpí a vrací se do stavu pozemní energie emitováním y-kvanta. Při energiích buzení vyšších, než je aktivační energie štěpení, dosáhne deformace kapky kritické hodnoty (c), vytvoří se „pas“ v kapce (d) a prodlouží se a začne štěpení (e).

Každý z pohotových neutronů generovaných štěpnou reakcí, které interagují se sousedními jádry štěpné hmoty, v nich způsobí štěpnou reakci. Ve stejnou dobu lavina zvýšení počtu aktů rozdělení - začíná štěpná řetězová reakce - jaderná reakce, při které částice způsobující reakci vznikají jako produkty této reakce. Podmínkou vzniku řetězové reakce je přítomnost množících se neutronů.

Faktor multiplikace neutronů k je poměr počtu neutronů vznikajících v určitém článku reakce k počtu takových neutronů v předchozím článku.

Nezbytná podmínka pro rozvoj řetězové reakce: k> 1. Tato reakce se nazývá vyvíjející se reakce. Když k = 1, probíhá soběstačná reakce. Vidlička<1 идет затухающая реакция.

Multiplikační faktor závisí na povaze štěpné látky a pro daný izotop - na jeho množství, stejně jako na velikosti a tvaru jádra - prostoru, kde probíhá řetězová reakce.

Minimální velikost jádra, při které je možná řetězová reakce, se nazývá kritická velikost.

Minimální hmotnost štěpného materiálu v systému kritických rozměrů potřebných k řetězové reakci se nazývá kritická hmotnost.

Řetězové reakce se dělí na kontrolované a nekontrolované. Výbuch atomové bomby je příkladem nekontrolovatelné reakce. Řízené řetězové reakce probíhají v jaderných reaktorech.

Zařízení, ve kterém je udržována řízená reakce jaderného štěpení, se nazývá jaderný (nebo atomový) reaktor. Jaderné reaktory se používají například v jaderných elektrárnách.

Zvažte schéma pomalého neutronového reaktoru. Jaderným palivem v takových reaktorech může být:

1) - v přírodním uranu obsahuje asi 0,7%;

2) se získává z podle schématu

3) se získává z thoria podle schématu

V jádru reaktoru jsou palivové články vyrobené z jaderného paliva (palivové články) 1 a moderátor 2 (v něm jsou neutrony zpomaleny na tepelné rychlosti). Palivové tyče jsou bloky štěpného materiálu, uzavřené v utěsněné skořápce, která slabě absorbuje neutrony. V důsledku energie uvolněné při jaderném štěpení se palivové články zahřívají, a proto jsou pro chlazení umístěny do proudu chladicí kapaliny 3. Jádro je obklopeno reflektorem 4, který snižuje únik neutronů. Udržování ustáleného stavu reaktoru se provádí pomocí regulačních tyčí 5 vyrobených z materiálů, které silně absorbují například neutrony

z boru nebo kadmia. Chladicí kapalinou v reaktoru je voda, kapalný sodík atd. Chladicí kapalina v parním generátoru vydává své teplo páře, která vstupuje do parní turbíny. Turbína otáčí elektrický generátor, jehož proud proudí do elektrické sítě.

Naše úkoly: seznámit se s hlavními typy radioaktivního rozpadu, ve virtuálních experimentech ukázat řetězce radioaktivních transformací a způsob měření konstanty rozpadu.

Jaderná reakce - nucen transformace atomového jádra působením jiných částic (asi spontánní změna atomových jader emitováním elementárních částic - radioaktivitačtěte v jiné přednášce).

Pokud máte pochybnosti, zda jste někdy viděli jadernou reakci, podívejte se za jasného dne na oblohu. O reakcích na Slunce si povíme později.

Nejčastěji na jádro A vletí dovnitř relativně lehká částice A(například neutron, proton, α -částice atd.) a při přiblížení na vzdálenost řádově 10 -15 m v důsledku působení jaderných sil se vytvoří jádro PROTI a lehčí částice b.

Sada částic a jader vstupujících do reakce (na obrázku A + A) se nazývají vstup kanál jaderné reakce a výsledná reakce - víkend kanály. Pokud je kinetická energie dopadající částice A je malý, pak se vytvoří dvě částice: samotná částice a jádro.

Elastické a nepružné rozptyly jsou speciální případy jaderné interakce, kdy se reakční produkty shodují s těmi počátečními.

Klasifikace jaderných reakcí

Podle typu částic způsobujících reakci
1. reakce nabitých částic
2. neutronové reakce
3. reakce pod vlivem γ - kvanta - fotonukleární reakce

Zákony zachování v jaderných reakcích

Pro jakoukoli reakci si můžete představit velkou škálu výstupních kanálů. Většina z nich se však ukáže jako nemožná. Zákony zachování pomáhají vybrat reakce, které jsou v praxi proveditelné:

Poslední dvě platí pro silné interakce. V jaderných reakcích se projevuje celá řada zákonů, jsou zásadní pro reakce s elementárními částicemi, pojmenujeme je jinde.

Sada zákonů zachování umožňuje vybrat možné výstupní reakční kanály a získat důležité informace o vlastnostech interagujících částic a reakčních produktů.

Přímé jaderné reakce

V přímé reakci má částice čas srazit se s jedním (méně často se dvěma - třemi) nukleony. Tyto reakce probíhají velmi rychle - během průletu částice jádrem (10 -22 - 10 -21 s). Zvažte například (n, p) -reakce. Hybnost neutronu se přenáší hlavně na jeden nukleon, který okamžitě opouští jádro, aniž by měl čas na výměnu energie se zbytkem nukleonů. Nukleony by proto měly být z jádra vymrštěny hlavně dopředu. Energie vysunutého nukleonu by měla být blízká energii střely.

Kinetická energie dopadající částice musí být dostatečně velká (představte si zeď vytvořenou z kostek. Pokud do jedné z nich narazíte ostře, můžete ji vyrazit, téměř bez ovlivnění zbytku. Při pomalém nárazu se zeď rozpadne.) )

Při nízkých energiích může dojít k reakci zhroutit se(d, p). Když se deuteron blíží k jádru, je polarizován, neutron je zachycen jádrem a proton se dále pohybuje. Pro takový proces musí k interakci dojít na okraji jádra. V deuteronu jsou proton a neutron slabě vázány.

Charakteristickými rysy přímých reakcí jsou tedy:
1. doba toku ~ 10 -21 s;
2. úhlové rozložení produktů se prodlužuje ve směru pohybu dopadající částice;
3. obzvláště velký příspěvek k průřezu jaderných procesů při vysokých energiích.

Obr. 2 Schéma exotermické reakce

Energetické schéma jaderné reakce

Znázorněme si jadernou reakci ve formě energetického diagramu (obr. 2). Levá strana obrázku odkazuje na první fázi - vytvoření složeného jádra, pravá - rozpad tohoto jádra. T "a- část kinetické energie dopadající částice, která šla do excitace jádra, ε a- energie vázající částice A ve složeném jádru, ε b- energie vázající částice b ve stejném jádru.

Existuje zjevný rozpor: jádro C je kvantově mechanický systém s diskrétními energetickými hladinami a excitační energie, jak je patrné z (1), je spojitá veličina (energie T a může být jakýkoli). To bude řešeno v další části.

Průřez jadernou reakcí procházející složeným jádrem

Obr. 3 Energetické rozostření úrovně excitovaného stavu

Jelikož v průběhu reakce existují dvě nezávislá stádia, může být průřez reprezentován jako součin průřezu pro vytvoření složeného jádra σ stav a pravděpodobnost jeho rozpadu o já-th kanál f i

Atomové jádro je kvantový systém. Protože každá z excitovaných úrovní spektra má konečnou průměrnou životnost τ , šířka šířky Γ je také konečný (obr. 3) a souvisí s průměrnou životností vztahem, který je důsledkem vztahu nejistoty pro energii a čas Δt ΔE ≥ ћ:

Uvažujme případ, kdy jsou energetické hladiny složeného jádra odděleny (šířky úrovní) Γ menší vzdálenost mezi nimi ΔE). Když se excitační energie shoduje s energií jedné z úrovní E 0 reakční průřez (a, b) bude mít rezonanční maximum. V kvantové mechanice je dokázáno, že průřez pro tvorbu složeného jádra je popsán Breit-Wignerovým vzorcem

(6)

kde λ a je de Broglieova vlnová délka dopadající částice, Γ - plná šířka úrovně, Γ a- šířka úrovně vzhledem k pružnému rozptylu (částečná, částečná šířka).

Pojďme zjistit šířky úrovně. Pravděpodobnost rozpadu složeného jádra f i nepřímo úměrné životnosti τ i ohledně tohoto úpadku. A doba života τ i podle (5) je naopak nepřímo úměrný šířce Γ já, nazývané částečné (částečné). V důsledku toho pravděpodobnosti f iúměrné šířkám Γ já, a mohou být zastoupeny

Obr. 4 Průřez tvorbou složeného jádra

Součet Σf i = 1, a ΣΓ i = Γ... Dílčí šířky se řeší pohodlněji než pravděpodobnosti.

Šířka celé úrovně Γ slabě závisí na rychlosti dopadající částice v a, a Γ aúměrné této rychlosti. Vlnová délka De Broglieho je nepřímo úměrná rychlosti v a... Proto, daleko od rezonance při nízkých rychlostech, průřez roste jako 1 / v a(Můžete si to vysvětlit tím, že pomalá částice stráví v jádru více času a zvyšuje se pravděpodobnost jejího zachycení). Na E ~ E 0 příčný řez zachycení prudce roste (obr. 4). Ve vzorci (6) E je kinetická energie dopadající částice a E 0 je energie na úrovni složeného jádra, měřeno z energie vazby: energetická hladina = ε a + E 0.

Jaderné reakce řízené neutrony

Hlavní reakce za působení nerelativistických neutronů jsou znázorněny na diagramu (obr. 5). Tam a v následujícím textu budeme označovat písmenem A hromadné číslo jádra A.

Zvažme je v pořadí.

Elastický rozptyl

Neutrony v jaderných reakcích s nabitými částicemi a v jaderném štěpení se rodí rychle ( T nřádu několika MeV), ale jsou absorbovány zpravidla pomalu. Ke zpomalení dochází v důsledku vícenásobných elastických kolizí s atomovými jádry.

Existují dvě možnosti: vychýlení neutronu jaderným polem bez zachycení - potenciální rozptyl, a emise neutronu ze složeného jádra je rezonanční rozptyl... Průřez je tedy součet σ ovládání = σ pot + σ res.

Obr. 6 Průřez elastickým rozptylem neutronů jádry uranu

Poté podle (1) dojde k rozptylu s nulovou hybností hybnosti ( L = 0, s- rozptyl). Úhlové rozložení rozptýlených neutronů ve středu hmoty je izotropní. Ve skutečnosti tyto „malé“ energie nejsou tak malé: ve vodíku ~ 10 MeV, ve vedení ~ 0,4 MeV. Průřez potenciálního rozptylu v tomto případě nezávisí na energii neutronů a je roven

V příčném řezu pro rezonanční rozptyl

šířka Γ n je přímo úměrná rychlosti a de Broglieově vlnové délce λ je to nepřímo úměrné. V závislosti na energii tedy máme pouze rezonanční vrchol při E = E 0... Výsledkem je, že pro energetickou závislost průřezu pro elastický rozptyl neutronů máme podstavec s rezonančními vrcholy (obr. 6).

Neelastické rozptyl

Jádro rozptylu je v vzrušeném stavu: n + A => (A + 1) * => A * + n... Reakce očividně ano práh charakter: energie dopadajícího neutronu musí být dostatečná k přenosu cílového jádra do excitovaného stavu. Studium spekter neutronů a doprovod γ - záření, přijímat informace o struktuře energetických hladin jádra.

Pár slov o tom, jak můžete změřte neelastický rozptylový průřez... Když je kinetická energie neutronů větší než asi 1 MeV,

hlavní procesy budou elastické a neelastické rozptyl σ = σ ovládání + σ nekontrolované... Nechte na dálku L ze zdroje S detektor umístěn D(obr. 7). Obklopme zdroj koulí o poloměru R. a tloušťka stěny d... Pokud rozptyl čistě elastický, lze ukázat, že útlum podél linie spojující zdroj a detektor je kompenzován rozptylem koulí směrem k detektoru z jiných směrů. Pokud je pozorován pokles naměřených hodnot detektoru, je to způsobeno nepružným rozptylem

Tady N. je koncentrace jader v cíli. Několik měření s různými tloušťkami vám umožní najít průřez σ nekontrolované.

Zachycení záření

Radiační zachycení - zachycení neutronu, vznik složeného jádra v excitovaném stavu a následný přechod na pozemské s emisí γ záření n + (A, Z) => (A + 1, Z) * ​​=> (A + 1, Z) + γ... Energie excitace složeného jádra (2), a tedy i celková energie y kvanta, převyšuje vazebnou energii neutronu v jádře, tj. 7 - 8 MeV.

Jak se zachycování záření projevuje?
• emise y-kvant;
• v radioaktivitě (emise β-částic) vzniklého jádra (A + 1, Z)(velmi často jádro (A + 1, Z) nestabilní);
• při oslabování toku neutronů N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - průřez zachycováním záření, d- cílová tloušťka).

Obr.10 Průřez zachycením záření jádry india.

Při nízkých energiích neutronů jsou rezonanční efekty a radiační záchytný průřez velmi silné

Pro pomalé neutrony Γ = Γ n + Γ γ a Γ γ ≈ konst ~ 0,1 eV... Závislost příčného řezu na radiačním zachycení na energii proto opakuje závislost průřezu na tvorbě složeného jádra. Všimněte si velmi velké hodnoty zachycovacího průřezu pro indium (obr. 10) při energii neutronů 1,46 eV. Je o 4 řády větší než geometrický průřez jádra. Indium je obsaženo ve sloučeninách s kadmiem pro použití jako absorpční materiály v reaktorech.

Jak bylo uvedeno, jádro (A + 1, Z) v důsledku zachycení neutronů je velmi často radioaktivní s krátkým poločasem rozpadu. Radioaktivní záření a radioaktivní rozpad jsou dobře známy pro každý prvek. Od roku 1936 se k identifikaci prvků používá radioaktivita indukovaná neutrony. Metoda byla pojmenována "aktivační analýza"... Postačí vzorek asi 50 mg. Aktivační analýza může detekovat až 74 prvků a používá se ke stanovení nečistot v ultračistých materiálech (v budovách reaktorů a elektronickém průmyslu), obsahu stopových prvků v biologických objektech v environmentálním a lékařském výzkumu, stejně jako v archeologii a kriminalistice. Aktivační analýza se také úspěšně používá při hledání nerostů, ke kontrole technologických procesů a kvality produktů.

Jaderné štěpení je jev, při kterém je těžké jádro rozděleno na dva nestejné fragmenty (velmi zřídka na tři). Objevili ho v roce 1939 němečtí radiochemici Hahn a Strassmann, kteří dokázali, že ozáření uranu neutrony produkuje prvek ze středu periodické soustavy barya 56 Ba.

Několik dní po zprávě o tom italský fyzik E. Fermi (který se přestěhoval do USA) zahájil experiment na pozorování štěpných fragmentů. Uranová sůl byla nanesena na vnitřní stranu desek pulzní ionizační komory (obr. 11). Když nabitá částice vstoupí do objemu komory, máme na výstupu elektrický impuls, jehož amplituda je úměrná energii částice. Uran je radioaktivní, částice α dávají četné pulzy malé amplitudy. Když byla komora ozářena neutrony, byly detekovány pulzy velké amplitudy způsobené štěpnými fragmenty. Fragmenty mají velký náboj a energii ~ 100 MeV. O několik dní dříve pozoroval Otto Frisch trosky ve Wilsonově komnatě.

Rozlišovat
• vynucené rozdělení- štěpení působením dopadající částice (nejčastěji neutron)

  Kinetická energie dopadající částice Ta je obvykle malá a reakce probíhá přes složené jádro: a + A => C * => B 1 + B 2

• spontánní dělení (spontánní)... Objevili je sovětští fyzici Flerov a Petrzhak v roce 1940. Uran 235 U je štěpný s poločasem přibližně 2 * 10 17 let. Na štěpení připadá 10 8 α-rozpadů a tento jev je extrémně obtížné detekovat.

Elementární teorie štěpení

Zjistíme základní podmínky pro možnost štěpení pomocí drop modelu.

Energie štěpení

Zvažte štěpení jádra C na dva kusy C => B 1 + B 2... Energie se uvolní, pokud vazebné energie jádra a fragmentů souvisí poměrem

G osc = G C - G 1 - G 2 Na základě drop modelu zjistíme, při jakých hmotnostních číslech A C. a sériová čísla Z C. podmínka (7) je splněna.

(8)

Nahraďme tyto výrazy v (7), přičemž vezmeme menší fragment Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A C a pro těžší Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

První a čtvrtý termín v (8) se zruší, protože vzhledem k. jsou lineární A a Z.

První dva členy v (9) jsou změnou energie povrchového napětí ΔW pov, a poslední dva jsou změnou Coulombovy energie ΔW v pohodě... Nerovnost (7) nyní vypadá takto

G osc = - ΔW sp - ΔW cool = 0,25 ΔW sp - 0,36 ΔW cool

Li Z 2 / A> 17 pak se uvolní energie. přístup Z 2 / A se nazývají parametr rozdělení.

Stav Z 2 / A> 17 se provádí pro všechna jádra, počínaje stříbrem 47 108 Ag... Níže se ukáže, proč se jako palivo v reaktorech používá drahý uran, a ne levnější materiály.

Mechanismus dělení

Stav Z 2 / A> 17 se provádí pro všechny prvky druhé poloviny periodické tabulky. Praxe však ukazuje, že se dělí pouze velmi těžká jádra. Co se děje? Vzpomeňme si α -rozklad. Velmi často je to energeticky prospěšné, ale neděje se to, protože brání Coulombově bariéře. Podívejme se, jak si věci stojí v případě rozdělení. Možnost štěpení závisí na velikosti součtu povrchových a Coulombových energií počátečního jádra a fragmentů. Podívejme se, jak se tyto energie mění po deformaci jádra - zvýšení v parametr rozdělení ρ .

Energie povrchového napětí W pov zvyšuje, pak, když fragmenty získají sférický tvar, zůstává konstantní. Coulombova energie W v pohodě jen klesá, zpočátku pomalu a pak jako 1 / ρ... Jejich součet na Z 2 / A> 17 a Z 2 / A se chová podle obrázku 13. Existuje potenciální bariéra s výškou B f bránící rozdělení. K spontánnímu štěpení může dojít v důsledku kvantově mechanického únikového jevu (efekt tunelu), ale pravděpodobnost je extrémně malá, takže poločas rozpadu, jak je uvedeno výše, je velmi velký.

Li Z 2 / A> 49, pak výška zábrany B f = 0, a ke štěpení takového jádra dochází okamžitě (v jaderném čase řádově 10 -23 s).

Pro štěpení jádra je nutné dát mu energii větší než B f... To je možné zachycením neutronu. V tomto případě bude vzorec (2) vypadat

(11)

Tady ε n- vazebná energie neutronu v jádru, získaná během jeho zachycení; T n je kinetická energie dopadajícího neutronu.

Shrňme úvahu o interakci neutronů.

Jaderné reakce pod vlivem nabitých částic

Na rozdíl od neutronů je při zvažování srážek nabitých částic s jádrem nutné vzít v úvahu přítomnost Coulomba

bariéra. Interakce neutronu s jádrem je charakterizována hlubokou (30 - 40 MeV) potenciální jamkou o poloměru R i(Obrázek 14a). Neutron, který se blíží jádru, zažívá silnou přitažlivost. V případě interakce nabitých částic s jádrem má potenciální křivka tvar podle obr. 14b. Když se blížíme k jádru, máme nejprve Coulombův odpor (síly dlouhého dosahu) a na vzdálenost řádově R i do hry vstupuje silná jaderná přitažlivost. Výška bariéry Coulomba B v pohodě přibližně stejné

Například u kolonů protonů s kyslíkovým jádrem bude výška bariéry 3,5 MeV au uranu 15 MeV. Pro α -částice, výška zábran je 2krát vyšší. Pokud je kinetická energie částice T, existuje možnost, že částice vstoupí do jádra kvůli efektu tunelování. Průhlednost bariéry je však extrémně nízká a s největší pravděpodobností dojde k elastickému rozptylu. Ze stejného důvodu je pro nabitou částici obtížné opustit jádro. Vzpomeňme si α -rozklad.

Závislost průřezu pro jadernou reakci na nabité částice má prahový charakter. Ale vrcholy rezonance jsou špatně vyjádřeny nebo zcela chybí, protože při energiích ~ MeV je hustota jaderných úrovní vysoká a překrývají se.

V budoucnosti jsou velké naděje spojeny s termojadernými fúzními reakcemi tohoto typu 2 H + 2 H => 3 He + p nebo 2 H + 3 H => 4 He + n, které se vyznačují velmi velkým uvolňováním energie. Překážkou pro takové reakce je Coulombova bariéra. Je nutné látku zahřát na takové teploty, aby energie částic kT ať reagují. Teplota 1.16 10 7 odpovídá 1 keV. Aby byla reakce „plazmy“ samoudržitelná, musí být splněny tři podmínky:

plazma musí být zahřátá na požadované teploty,

hustota plazmy musí být dostatečně vysoká

teplota a hustota musí být udržovány po dlouhou dobu.

A pak jsou tu kontinuální problémy: uvěznění plazmatu v magnetických pastech, vytváření materiálů pro reaktor, které by vydržely silné ozáření neutrony atd. Stále není jasné, jak nákladově efektivní může být výroba elektřiny pomocí termonukleární fúze. Průběžně probíhá výzkum.

Maximální energetické ztráty (minimální E "n) bude v θ = π : E "min = αE(pro vodík E "min = 0).

Při nízkých energiích (viz (1)) je rozptyl izotropní, všechny hodnoty úhlů θ jsou stejně pravděpodobné. Protože mezi úhlem rozptylu θ a energii rozptýleného neutronu E "n vztah je jednoznačný (12), rozdělení neutronů v energii po jediném rozptylu bude rovnoměrné (obr. 15). Může být reprezentován jako vzorec

(13)

Průměrná logaritmická ztráta energie. Zpomalující schopnost. Faktor zpomalení

Podívejme se, jak velký počet srážek ovlivní energii neutronů. V tomto případě je vhodné použít ne energetickou stupnici, ale logaritmickou stupnici ε = lnE: viděli jsme to (viz (12)) E "/ E nezávisí na E, tj. v průměru je procento energetické ztráty stejné. V energetickém měřítku vypadá změna energie takto

Tito. přesně lNE, ale ne E změny o víceméně fixní částku.

Průměrná energie neutronů po srážce

Průměrné energetické ztráty

Průměrná logaritmická ztráta energie

ξ nezávisí na E... Pohyb osy lNE jednotný. Můžete pouze vypočítat průměrný počet kolizí n zpomalit od E start do finále E con:

(14)

Níže uvedená tabulka ukazuje hodnoty ξ a n pro řadu jader s moderací neutronů od 1 MeV energie do 0,025 eV tepelné.

				ξΣ s, 1 / cm	ξΣ s / Σ a

Při pohledu na 4. sloupec se může zdát, že vodík zpomaluje lépe než ostatní. Musíme ale počítat i s frekvencí kolizí. Pro plynný a kapalný vodík ξ = 1, ale je jasné, že cesta ubíraná během zpomalování bude jiná. Pátý sloupec ukazuje logaritmickou ztrátu ξ krát míra kolize - retardační schopnost... A tady je nejlepším moderátorem obyčejná voda. Dobrý moderátor by ale měl neutrony absorbovat špatně. V posledním, 6. sloupci je průměrná logaritmická ztráta vynásobena poměrem makroskopického rozptylového a absorpčního průřezu. Při porovnání čísel je zřejmé, proč se jako moderátor v jaderných reaktorech používá těžká voda nebo grafit.

Průměrná doba zpomalení

Odhadneme čas potřebný ke zpomalení neutronu v důsledku kolizí z počáteční energie E 0 do finále E do... Energetickou osu rozdělíme na malé segmenty ΔE... Kolize na segment ΔE u E

Délka volné cesty λ s určeno průřezem pro pružný rozptyl σ s a koncentrace moderátorových jader N.

, (15)

kde . S se nazývá veličina makroskopický řez... Čas potřebný ke zpomalení o ΔE, je definován jako součin časového intervalu a průchodu volné cesty počtem kolizí do ΔE

Předáním do nekonečně malých veličin a integrací získáme dobu zpomalení t

Například pro beryllium at E 0= 2 MeV, E do= 0,025 eV, λ s= 1,15 cm, ξ = 0,21 dostaneme ~ 3,4 · 10 -5 s. Všimněte si, že za prvé, tato hodnota je mnohem menší než poločas volného neutronu (~ 600 s), a za druhé, je určen pohybem v blízkosti konečné energie.

Prostorová distribuce neutronů

Nechte médium mít bodový izotropní zdroj rychlých neutronů s počáteční energií E 0... Vzdálenost L zástupce, kterým se v průměru při zpomalení na odstraní neutrony E do je nazýván zpomalovací délka... Skutečná cesta, kterou neutron prochází, je mnohem větší, protože trajektorie pohybu je přerušovaná čára segmentů délky λ s... Množství L zástupce je určena parametry moderovacího média, počáteční a konečnou energií neutronu:

Pro těžkou vodu se zpomalením z 2 MeV na tepelný 0,025 eV L zástupce~ 11 cm, pro grafit ~ 20 cm.

V důsledku zpomalení v objemu s poloměrem řádu délky zpomalení vznikají tepelné neutrony s maxwellovským rozložením energie. Tepelné neutrony začínají difundovat (pohybují se chaoticky) a šíří se látkou všemi směry od zdroje. Tento proces je popsán difúzní rovnicí s přihlédnutím k absorpci neutronů

(16)

V této rovnici Φ - tok neutronů (počet neutronů překračujících jednotkovou plochu za jednotku času), . S a Σ a jsou makroskopické rozptyly (viz (15)), respektive absorpční průřezy, D- difúzní koeficient, S- zdroj neutronů. V této rovnici první termín popisuje pohyb neutronů ve hmotě, druhý - absorpce a třetí narození.

Hlavní charakteristikou média popisujícího difúzní proces je difúzní délka L rozdíl

Difúzní délka charakterizuje průměrné odstranění neutronu ze zdroje před absorpcí. Pro těžkou vodu L rozdíl~ 160 cm, pro grafit ~ 50 cm. Běžná voda silně absorbuje neutrony a L rozdíl pouze 2,7 cm. Jak klikatou a dlouhou neutronovou cestu během difúze lze posoudit porovnáním difúzní délky (v grafitu 50 cm) s průměrnou délkou neutronové dráhy před absorpcí λ a = 1 / Σ a(ve stejném grafitu 3300 cm).

V praxi se často zabývají přechodem neutronů z jednoho média do druhého. Například jádro reaktoru je obklopeno reflektorem. Koeficient odrazu β - podíl neutronů vracejících se do prostředí zdroje z prostředí bez zdroje. Přibližně, β ≈ 1-4 D / L rozdíl kde parametry odkazují na prostředí bez zdroje. Například z grafitového reflektoru β = 0,935, tj. 93% neutronů se vrátí. Grafit je skvělý reflektor. Raději jen těžká voda, kde β = 0.98!

Řetězová reakce v médiu obsahujícím štěpnou látku

Máme homogenní médium obsahující štěpnou hmotu. Neexistují žádné cizí zdroje neutronů; mohou se objevit pouze v důsledku jaderného štěpení. Budeme předpokládat, že všechny procesy probíhají se stejnou energií (tzv aproximace jedné rychlosti). Otázkou je: je možné z této látky vytvořit kouli, ve které by byla zachována stacionární řetězová reakce?

Potřebujeme:

• makroskopický absorpční průřez neutrony Σ absorbováno, který je tvořen uchopovací částí bez dělení Σ zachytit(zachycování záření) a štěpné průřezy Σ případů: Σ absorbováno = Σ zachytit + Σ případů;
• průměrný počet neutronů υ propuštěn v jednom aktu rozdělení.

Potom rovnice pro tok neutronů Φ ve stacionárním případě to bude vypadat

s okrajovou podmínkou

,

což znamená, že v určité vzdálenosti d z štěpné koule o poloměru R. vlákno by mělo jít na nulu.

Porovnáme -li rovnici pro tok Φ s (16) je vidět, že zdrojem je množství použijte div Φ- počet produkovaných neutronů na jednotku objemu za jednotku času.

Zvažte tři případy

υΣ div - produkuje se méně neutronů, než je absorbováno. Stacionární reakce je zjevně nemožná.

• υΣ div = Σ absorbovat- zdroj kompenzuje absorpci neutronů. Řešení rovnice (17) dává Φ = konst pouze pro nekonečné prostředí jinak v důsledku úniku neutronů přes hranici média reakce tlumí.

  υΣ div> Σ absorbovat- je možné zvolit takovou velikost koule štěpné hmoty, aby přebytek neutronů unikal přes hranice koule (aby se zabránilo jadernému výbuchu).

Představme notaci ω 2 = (Σ absorpce - υΣ div) / D> 0... Rovnice (17) má tvar

(18)

Jeho společné rozhodnutí vypadá jako

(19)

Součinitel B v (19) musí být nastaveno na nulu, aby se řešení v tomto případě nerozcházelo r = 0... Nalezení konečného řešení je komplikované správným zohledněním okrajových podmínek a u přírodní směsi izotopů uranu (235 U - 0,7%, 235 U - 99,3%, Σ absorbováno= 0,357 1 / cm, Σ případů= 0,193 1 / cm, υ = 2,46) získáme jako minimální hodnotu součtu R ≈ 5 viz Jak se tento úkol liší od skutečného? Ve skutečnosti se neutrony rodí rychle a musí být zpomaleny na tepelné energie. První reaktor, postavený E. Fermi (1942), měl rozměry asi 350 cm.

Řetězová reakce. Nukleární reaktor

Zařízení, ve kterých se energie získává stacionární štěpnou řetězovou reakcí, se nazývají atomový reaktory (říkají například jaderná elektrárna, jaderná elektrárna), i když ve skutečnosti je jaderné reaktory. Konstrukce jaderných reaktorů je velmi složitá, ale základním prvkem každého reaktoru je jádro, ve kterém probíhá štěpná reakce.

Jádro obsahuje štěpný materiál, moderátor, ovládací (regulační) tyče, strukturní prvky a je obklopeno neutronovým reflektorem, aby se snížily jeho ztráty. To vše je uvnitř ochrany před tokem neutronů, γ - záření.

Osud neutronu v jádru

zachycení uranu jádrem s následným štěpením tohoto jádra;

zachycení uranu jádrem s následným přechodem jádra do základního stavu s emisí γ - kvanta (zachycování záření);

zachycení moderátorských jader nebo strukturálních prvků;

odchod z jádra;

absorpce řídicími tyčemi.

Neutrony jsou emitovány během jaderného štěpení, poté absorbovány nebo opouštějí jádro. Označme podle k multiplikační faktor - poměr počtu neutronů příští generace n i + 1 na číslo v předchozím n i

Představíme -li životnost celé generace τ , potom rovnice pro počet neutronů n a jeho řešení by vypadalo takto

(21)

Pokud koeficient k se liší od 1, pak počet neutronů klesá ( k) nebo zvyšuje ( k> 1) exponenciálně, tj. velmi rychle.

(Sledujte vliv multiplikačního faktoru k a životnost generace τ o dynamice počtu neutronů jednoduchou zkušeností)

Reprodukční faktor k může být reprezentován jako součin koeficientu k ∞ pro nekonečné prostředí a pravděpodobnost ne opustit aktivní zónu χ

Množství χ závisí na složení jádra, jeho velikosti, tvaru, materiálu reflektoru.

S ohledem na reaktor pracující na tepelných neutronech, koeficient k ∞ mohou být reprezentovány jako čtyři faktory

kde

ε - multiplikační faktor na rychlých neutronech (pro skutečné systémy uranu a grafitu ε ~ 1.03);

p- pravděpodobnost vyhnutí se zachycení rezonance během zpomalení. Připomeňme, že neutrony se produkují rychle a při zpomalení na tepelné energie musí překonat rezonanční oblast v absorpčním průřezu (viz obr. 10);

F- podíl neutronů absorbovaných jádry uranu (nikoli moderátorem nebo strukturálními prvky). ε p f ≈ 0,8;

η je průměrný počet emitovaných neutronů na jeden akt zachycení jádrem uranu (během zachycení může dojít k jadernému štěpení nebo γ -množství). η ≈ 1,35(porovnejte s ~ 2,5 pro počet neutronů na štěpnou událost).

Z daných údajů to vyplývá k ∞ = 1,08 a χ = 0,93, což odpovídá velikosti reaktoru řádově 5 - 10 m.

Kritické množství- minimální hmotnost štěpné hmoty, při které v ní může dojít k soběstačné reakci jaderného štěpení. Pokud je hmotnost látky pod kritickou hodnotou, ztratí se příliš mnoho neutronů potřebných pro štěpnou reakci a řetězová reakce neprobíhá. S hmotností větší než kritická může řetězová reakce zrychlit jako lavina, což povede k jadernému výbuchu.

Kritická hmotnost závisí na velikosti a tvaru štěpného vzorku, protože určují únik neutronů ze vzorku skrz jeho povrch. Sférický vzorek má minimální kritickou hmotnost, protože jeho povrch je nejmenší. Reflektory a moderátory neutronů obklopující štěpný materiál mohou výrazně snížit kritické množství. Kritické množství také závisí na chemické složení vzorek.

„Dědeček“ tuzemských jaderných reaktorů je prvním fyzickým reaktorem F-1, který získal statut památky vědy a techniky. Byla zahájena v roce 1946 pod vedením I.V. Kurchatov. Jako moderátor byl použit čištěný grafit ve formě tyčí s otvory pro uranové tyče. Kontrola byla prováděna tyčemi obsahujícími kadmium, které silně absorbuje tepelné neutrony. Jádro kotle obsahovalo 400 tun grafitu a 50 tun uranu. Výkon reaktoru byl asi 100 W; neexistoval žádný speciální systém pro odvod tepla. Během provozu bylo teplo akumulováno ve velké hmotě grafitu. Poté bylo grafitové zdivo ochlazeno proudem vzduchu z ventilátoru. Tento reaktor stále funguje správně.

Podíl jaderné energie na světové produkci elektřiny byl různé roky 10-20%. Největší procento (~ 74) elektřiny se vyrábí v jaderných elektrárnách ve Francii. V Rusku ~ 15%.

Jak vypadá proces fyzického spuštění atomového reaktoru, ukazuje počítačový model.

Pokud si chcete ověřit, jak se přednáškový materiál naučil,

Důležitou roli ve vývoji představ o struktuře jader sehrálo studium jaderných reakcí, které poskytlo rozsáhlé informace o otočeních a paritách excitovaných stavů jader a přispělo k vývoji modelu skořápky. Studium reakcí s výměnou několika nukleonů mezi kolidujícími jádry umožnilo studovat jadernou dynamiku ve stavu s velkými úhlovými momenty. V důsledku toho byly objeveny dlouhé rotační pruhy, které sloužily jako jeden ze základů pro vytvoření generalizovaného modelu jádra. Při srážce těžkých jader se vytvoří jádra, která v přírodě neexistují. Syntéza transuranových prvků je z velké části založena na fyzice interakce těžkých jader. Při reakcích s těžkými ionty se tvoří jádra, která jsou daleko od pásma stability β. Jádra vzdálená od pásma stability beta se liší od stabilních jader odlišným poměrem mezi Coulombovými a nukleárními interakcemi, poměrem mezi počtem protonů a počtem neutronů, významným rozdílem ve vazebných energiích protonů a neutronů, který se projevuje sám v nových typech radioaktivního rozpadu - protonová a neutronová radioaktivita a řada dalších specifických vlastností atomových jader.
Při analýze jaderných reakcí je nutné vzít v úvahu vlnovou povahu částic interagujících s jádry. Vlnový charakter procesu interakce částic s jádry se jasně projevuje v elastickém rozptylu. U nukleonů s energií 10 MeV je tedy redukovaná de Broglieho vlnová délka menší než poloměr jádra a během rozptylu nukleonů vzniká charakteristický vzorec maxima a minima difrakce. U nukleonů s energií 0,1 MeV je vlnová délka větší než poloměr jádra a nedochází k difrakci. Pro neutrony s energií<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Jaderné reakce jsou efektivní metodou pro studium jaderné dynamiky. K jaderným reakcím dochází při interakci dvou částic. Během jaderné reakce dochází k aktivní výměně energie a hybnosti mezi částicemi, v důsledku čehož se tvoří jedna nebo více částic, rozptylujících se z interakční oblasti. V důsledku jaderné reakce dochází ke složitému procesu restrukturalizace atomového jádra. Stejně jako v popisu struktury jádra je v popisu jaderných reakcí prakticky nemožné získat přesné řešení problému. A stejně jako je struktura jádra popisována různými jadernými modely, je průběh jaderné reakce popisován různými reakčními mechanismy. Mechanismus jaderné reakce závisí na několika faktorech - na typu dopadající částice, typu cílového jádra, energii dopadající částice a na řadě dalších faktorů. Jedním z omezujících případů jaderné reakce je přímá jaderná reakce... V tomto případě dopadající částice přenáší energii do jednoho nebo dvou nukleonů jádra a opouštějí jádro bez interakce s jinými nukleony jádra. Charakteristická doba průběhu přímé jaderné reakce je 10 -23 s. Přímá jaderná reakce probíhá na všech jádrech při jakékoli energii dopadající částice. Přímé jaderné reakce se používají ke studiu jednočásticových stavů atomových jader, protože reakční produkty nesou informaci o poloze úrovní, ze kterých je nukleon vyrazen. Pomocí přímých jaderných reakcí byly získány podrobné informace o energiích a obsazení jednočásticových stavů jader, které tvořily základ pro skořepinový model jádra. Dalším limitujícím případem jsou reakce, které procházejí složené jádro.

Popis mechanismu jaderných reakcí byl uveden v pracích W. Weisskopfa.

V. Weisskopf: "Co se stane, když částice vstoupí do jádra a srazí se s jednou z jaderných složek?" Obrázek ukazuje některé z těchto možností.
1) Padající částice ztrácí část své energie a zvyšuje jadernou částici do vyššího stavu. To bude důsledkem neelastického rozptylu, pokud dopadající částici zůstane dostatek energie, aby znovu opustila jádro. Tento proces se nazývá přímý nepružný rozptyl, protože zahrnuje rozptyl pouze na jedné základní části jádra.
2) Padající částice přenáší energii na kolektivní pohyb, jak je to symbolicky znázorněno na druhém diagramu obrázku, toto je také přímá interakce.
3) Ve třetím schématu obrázku je přenesená energie dostatečně velká na to, aby z cíle vytáhla nukleon. Tento proces také přispívá k přímé jaderné reakci. V zásadě se neliší od 1), odpovídá „výměnné reakci“.
4) Padající částice může ztratit tolik energie, že zůstane vázána uvnitř jádra, přenesenou energii může nízko ležící nukleon přijmout tak, že nemůže opustit jádro. Poté získáme vzrušené jádro, které nemůže emitovat nukleon. Tento stav nutně vede k dalšímu buzení nukleonů vnitřními srážkami, při nichž energie na excitovanou částici v průměru klesá, takže ve většině případů nukleon nemůže opustit jádro. V důsledku toho bude dosaženo stavu s velmi dlouhou životností, který se může rozpadnout, pouze pokud jedna částice při srážkách uvnitř jádra náhodně získá dostatek energie k opuštění jádra. Tuto situaci nazýváme vznik složeného jádra. Energii lze také ztratit zářením, načež se únik částice stane energeticky nemožným: dopadající nukleon zažije zachycení záření.
5) Vytvoření složeného jádra lze provést ve dvou nebo více krocích, pokud po procesu typu 1) nebo 2) dopadající nukleon narazí na jiný nukleon na své cestě a excituje ho takovým způsobem, že unikne z jádra je nemožné pro jakýkoli nukleon.

Poprvé představu o postupu jaderné reakce stádiem složeného jádra vyjádřil N. Bohr. Podle modelu složeného jádra dopadající částice po interakci s jedním nebo dvěma nukleony jádra přenese do jádra většinu své energie a je jádrem zachycena. Životnost složeného jádra je mnohem delší než doba letu dopadající částice jádrem. Energie vnesená dopadající částici do jádra je přerozdělována mezi nukleony jádra, dokud se její významná část koncentruje na jednu částici, a poté odletí z jádra. Vytvoření dlouhotrvajícího vzrušeného stavu může v důsledku deformace vést k jeho rozdělení.

N. Bor: "Fenomén zachycování neutronů nás nutí předpokládat, že kolize mezi rychlým neutronem a těžkým jádrem by měla v první řadě vést k vytvoření komplexního systému charakterizovaného pozoruhodnou stabilitou." Možný následný rozpad tohoto mezilehlého systému únikem hmotné částice nebo přechodem do konečného stavu s emisí kvanta zářivé energie by měl být považován za nezávislé procesy, které přímo nesouvisejí s první fází kolize. Setkáváme se zde s významným, dříve nepoznaným, rozdílem mezi skutečnými jadernými reakcemi - obyčejnými srážkami rychlých částic a atomových systémů - srážkami, které pro nás byly doposud hlavním zdrojem informací o struktuře atomu. Možnost počítání jednotlivých atomových částic pomocí takových srážek a studium jejich vlastností je v prvé řadě dána „otevřeností“ uvažovaných systémů, což činí výměnu energie mezi částicemi jednotlivých složek velmi nepravděpodobnou v průběhu nárazu. Vzhledem k těsnému zabalení částic do jádra však musíme být připraveni na to, že právě tato výměna energie hraje hlavní roli v typických jaderných reakcích. “

Klasifikace jaderných reakcí. Jaderné reakce jsou účinným prostředkem ke studiu struktury atomových jader. Pokud je vlnová délka dopadající částice větší než velikost jádra, pak se v takových experimentech získají informace o jádru jako celku. Pokud je velikost jádra menší, pak se informace o rozložení hustoty jaderné hmoty, struktuře povrchu jádra, korelaci mezi nukleony v jádru a distribuci nukleonů přes jaderné obaly extrahují z reakční průřezy.

• Coulombova excitace jader působením nabitých částic relativně velké hmotnosti (protony, α-částice a těžké ionty uhlíku, dusík) se používá ke studiu nízko položených rotačních úrovní těžkých jader.
• Reakce s těžkými ionty na těžká jádra, vedoucí k fúzi kolidujících jader, jsou hlavní metodou produkce supertěžkých atomových jader.
• Fúzní reakce lehkých jader při relativně nízkých kolizních energiích (tzv. Termonukleární reakce). Tyto reakce jsou způsobeny kvantově mechanickým tunelováním přes Coulombovu bariéru. Termonukleární reakce probíhají uvnitř hvězd při teplotách 10 7–10 10 K a jsou hlavním zdrojem energie pro hvězdy.
• Fotonukleární a elektronové jaderné reakce se vyskytují při srážce s jádry y-kvanta a elektrony s energiemi E> 10 MeV.
• Štěpné reakce těžkých jader, doprovázené hlubokou restrukturalizací jádra.
• Reakce s paprsky radioaktivních jader otevírají možnost získávat a studovat jádra s neobvyklým poměrem počtu protonů a neutronů, daleko od linie stability.

Jaderné reakce jsou obvykle klasifikovány podle typu a energie dopadající částice, typu cílových jader a energie dopadající částice.

Pomalé reakce neutronů

"1934 Jednoho rána Bruno Pontecorvo a Eduardo Amaldi testovali některé kovy na radioaktivitu." Tyto vzorky byly tvarovány jako malé duté válce stejné velikosti, do kterých mohl být umístěn zdroj neutronů. K ozáření takového válce byl do něj vložen zdroj neutronů a poté bylo vše umístěno do olověné krabice. V toto významné ráno Amaldi a Pontecorvo provedli experimenty se stříbrem. A najednou si Pontecorvo všiml, že se stříbrným válcem děje něco zvláštního: jeho aktivita nebyla vždy stejná, měnila se podle toho, kde byla umístěna, uprostřed nebo v rohu olověné schránky. Amaldi a Pontecorvo šli v naprostém zmatku oznámit tento zázrak Fermi a Rasetti. Franke byla nakloněna připsat tyto zvláštnosti nějaké statistické chybě nebo nepřesným měřením. A Enrico, který věřil, že každý jev vyžaduje ověření, navrhl, aby se pokusili ozářit tento stříbrný válec mimo olověný box a zjistit, co se stane. A pak šli k naprosto neuvěřitelným zázrakům. Ukázalo se, že předměty v blízkosti válce jsou schopné ovlivnit jeho činnost. Pokud byl válec ozářen, když stál na dřevěném stole, byla jeho aktivita vyšší, než když byl položen na kovovou desku. Nyní se o to zajímala celá skupina a experimentů se zúčastnili všichni. Umístili zdroj neutronů mimo válec a mezi něj a válec umístili různé předměty. Olověná deska mírně zvýšila aktivitu. Vést−látka je těžká. "No, teď to zkusíme snadno!"−navrhl Fermi.−Řekněme parafín. " Ráno 22. října byl experiment proveden s parafínem.
Vzali velký kus parafínu, vyhloubili v něm díru a dovnitř vložili zdroj neutronů, ozařovali stříbrný válec a přinesli ho k Geigerovu pultu. Počitadlo, jako by spadlo z řetězu, jen zacvaklo. Celá budova hřměla výkřiky: „Neuvěřitelné! Nepředstavitelné! Černá magie!" Parafín stonásobně zvýšil umělou radioaktivitu stříbra.
V poledne se skupina fyziků váhavě rozešla na polední přestávku, která obvykle trvala dvě hodiny ... Enrico využil své osamělosti, a když se vrátil do laboratoře, už měl teorii, která vysvětlovala podivný účinek parafínu. "