професор

І.Н.Бекман

ЯДЕРНА ФІЗИКА

Лекція 16. ядерні Взаємодія

Розвиток ядерної фізики в великій мірі визначається дослідженнями в області ядерних реакцій. У даній лекції ми розглянемо сучасну класифікацію ядерних взаємодій, їх

термодинаміку і кінетику, а також наведемо окремі приклади ядерних реакцій.

1. КЛАСИФІКАЦІЯ ЯДЕРНОГО РЕАКЦИЙ

завдяки дії ядерних силдві частки (два ядра або ядро ​​і нуклон) при зближенні до відстаней порядку 10 -13 см вступають між собою в інтенсивне ядерна взаємодія, що приводить до перетворення ядра. Цей процес називається ядерною реакцією. Під час ядерної реакції відбувається перерозподіл енергії і імпульсу обох частинок, яке призводить до утворення кількох інших частинок, що вилітають з місця взаємодії.При зіткненні налітаючої частки з атомним ядром між ними відбувається обмін енергією і імпульсом, в результаті чого можуть утворюватися кілька частинок, що вилітають в різних напрямках з області взаємодії.

ядерні реакції- перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками, γ-квантів або один з одним.

Ядерна реакція - процес утворення нових ядер або частинок при зіткненнях ядер або частинок. Вперше ядерну реакцію спостерігав Е. Резерфорд в 1919, бомбардуючи α-частинками ядра атомів азоту, вона була зафіксована по появі вторинних іонізуючих частинок, що мають пробіг в газі більше пробігу α-частинок і ідентифікованих як протони. Згодом за допомогою камери Вільсона були отримані фотографії цього процесу.

Мал. 1. Процеси, що відбуваються в ході ядерних реакцій

(Представлені вхідний і вихідний канали реакції).

Перша ядерна реакція здійснена Е. Резерфордом в 1919: 4 He + 14 N → 17 O + p або 14 N (α, p) 17 O. Джерелом α-частинок був α- радіоактивний препарат. Радіоактивні α -препарати в той час були єдиними джерелами заряджених частинок. Перший прискорювач, спеціально створений для вивчення ядерних реакцій був побудований Кокрофт і Уолтоном в 1932. На цьому прискорювачі вперше був

отриманий пучок прискорених протонів і здійснена реакція p + 7 Li → α + α.

Ядерні реакції - основний метод вивчення структури і властивостей атомних ядер. У ядерних реакціях вивчаються механізми взаємодії частинок з атомними ядрами, механізми взаємодії між атомними ядрами. В результаті ядерних реакцій виходять нові не зустрічаються в природних умовах ізотопи і хімічні елементи. Якщо після зіткнення зберігаються вихідні ядра і частинки і не народжуються нові, то реакція є пружним розсіюванням в поле ядерних сил, супроводжується тільки перерозподілом кінетичної енергіїі імпульсу частинки і ядра-мішені і називається потенційним

розсіюванням.

Наслідком взаємодії бомбардують частинок (ядер) з ядрами мішені може бути:

1) Пружне розсіяння, при якому ні склад, ні внутрішня енергія не змінюються, а відбувається лише перерозподіл кінетичної енергії відповідно до закону внутрішнього удару.

2) Непружне розсіювання, при якому склад взаємодіючих ядер не змінюється, але частина кінетичної енергії бомбардир ядра витрачається на збудження ядра мішені.

3) Власне ядерна реакція, в результаті якої змінюються внутрішні властивості і склад взаємодіючих ядер.

	Мал. 2. Ядерна реакція літію-6 з дейтерієм 6 Li (d, α) α
	У ядерних реакціях виявляються сильні, електромагнітні і слабкі
	взаємодії.
	Відомо багато різних типів реакцій. Їх можна класифікувати на
	реакції під дією нейтронів, під дією заряджених частинок і під дією
	В Загалом виглядіядерна взаємодія можна записати у формі
	a1 + a2 → b1 + b2 + ...,
	де а 1 і а 2 - частинки, що вступають в реакцію, а b 1, b 2, ... - частинки,
утворюються в результаті реакції (продукти реакції).
	Найбільш поширеним видом реакції є взаємодія легкої частинки а з ядром А, в
внаслідок якого утворюється легка частинка b і ядро ​​В
	а + A → b + B
	або коротше
	A (a, b) B.

Як a і b можуть бути взяті нейтрон (n), протон (p), α - частка, дейтон (d) і γ-квант.

Приклад 1. ядерна реакція

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

в скороченому вигляді записується як 14 N (α, p) 17 O

Приклад 2. Розглянемо реакцію 59 Co (p, n). Що є продуктом цієї реакції? Рішення. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

лівого боку маємо 27 + 1 протон. З правого боку 0 + Х протонів, де Х - атомний номер продукту. Очевидно, Х = 28 (Ni). З лівого боку 59 + 1 нуклонів, а з правої 1 + Y нуклонів, де Y = 59. Таким чином, продукт реакції 59 Ni.

Реакція може йти декількома конкуруючими шляхами:

різні можливі шляхипротікання ядерної реакції на другому етапі називають каналами реакції. Початковий етапреакції називається вхідним каналом.

Мал. 3. Канали взаємодії протонів з 7 Li.

Два останніх каналу реакції в схемі (6) відносяться до випадків непружного (А * + а) і пружного (А + а) ядерного розсіювання. Це окремі випадки ядерного взаємодії, що відрізняються від інших тим, що продукти реакції збігаються з частинками,

що вступають в реакцію, причому при пружному розсіянні зберігається не тільки тип ядра, але і його внутрішній стан, а при неупругом розсіянні внутрішній стан ядра змінюється (ядро переходить в збуджений стан). Можливість різних каналів реакції визначається налетающей часткою, її енергією і ядром.

При вивченні ядерної реакції представляють інтерес ідентифікація каналів реакції, порівняльна ймовірність протікання її через канали з різних енергіях падаючих частинок, енергія і кутовий розподіл частинок, що утворюються, а також їх внутрішній стан (енергія збудження, спін, парність, ізотопний спин).

Ядерні реакції - це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками (в тому числі і з у-квантами) або один з одним. Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція, що записується символічно наступним чином:

де X і Y - вихідне і кінцеве ядра, аі Ь- бомбардир і випускається (або випускаються) в ядерній реакції частки.

У будь-ядерної реакції виконуються закони збереження зарядових і масових чисел: сума зарядових (масових) чисел ядер і частинок, що вступають в ядерну реакцію, дорівнює сумі зарядових (масових) чисел кінцевих продуктів (ядер і частинок) реакції. виконуються також закони збереження енергії, імпульсуі моменту імпульсу.

На відміну від радіоактивного розпаду, який протікає завжди з виділенням енергії, ядерні реакції можуть бути як екзотермічні (з виділенням енергії), так і ендотермічними (з поглинанням енергії).

Важливу роль в поясненні механізму багатьох ядерних реакцій зіграло припущення Н. Бора (1936) про те, що ядерні реакції протікають в дві стадії за наступною схемою:

Перша стадія - це захоплення ядром X частки а, наблизився до нього на відстань дії ядерних сил (приблизно 2 10 15 м), і утворення проміжного ядра С, званого складовим (або компаунд-ядром). Енергія влетіла в ядро ​​частинки швидко розподіляється між нуклонами складеного ядра, в результаті чого воно виявляється в збудженому стані. При зіткненні нуклонів складеного ядра один з нуклонів (або їх комбінація, наприклад дейтрон - ядро ​​важкого ізотопу водню - дейтерію, що містить один протон і один нейтрон) або сх-частинка може отримати енергію, достатню для вильоту з ядра. В результаті можлива друга стадія ядерної реакції - розпад складеного ядра на ядро ​​У і частку Ь.

Класифікація ядерних реакцій

За родом беруть участь в реакціях частинок:

• реакції під дією нейтронів;
• реакції під дією заряджених частинок (наприклад, протонів, (Х-частинок).

За енергії викликають реакції частинок:

• реакції при малих енергіях (близько еВ), що відбуваються в основному за участю нейтронів;
• реакції при середніх енергіях (кілька МеВ), що відбуваються за участю уквантов і заряджених частинок;
• реакції при високих енергіях (сотні і тисячі МеВ), що приводять до народження відсутніх у вільному стані елементарних частинок і мають велике значеннядля їх вивчення.

За родом беруть участь в реакціях ядер:

• реакції на легких ядрах (А 50);
• реакції на середніх ядрах (50 А
• реакції на важких ядрах (А> 150).

За характером відбуваються ядерних перетворень:

• реакції з випусканням нейтронів;
• реакції з випусканням заряджених частинок. Перша в історії ядерна реакція (Резерфорд; 1919)

Ядерні реакції - це перетворення атомних ядер при взаємодії з елементарними частинками (в тому числі і з γ-квантів) або один з одним. Символічно реакції записуються у вигляді:

X + a → Y + b, або X (a, b) Y

де X і Y - вихідне і кінцеве ядра, a і b - бомбардир і випускається (або випускаються) в ядерній реакції частки.

У будь-ядерної реакції виконуються закони збереження електричних зарядів і масових чисел: сума зарядів (і масових чисел) ядер і частинок, що вступають в ядерну реакцію, дорівнює сумі зарядів (і сумі масових чисел) кінцевих продуктів (ядер і частинок) реакції. Виконуються також закони збереження енергії, імпульсу і моменту імпульсу.

Ядерні реакції можуть бути як екзотермічні (з виділенням енергії) так і ендотермічними (з поглинанням енергії).

Ядерні реакції класифікуються:

1) у зв'язку зі беруть участь в них частинок - реакції під дією нейтронів; заряджених частинок; γ-квантів;

2) по енергії викликають їх часток - реакції при малих, середніх і високих енергіях;

3) за родом беруть участь в них ядер - реакції на легких (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) ядрах;

4) за характером відбуваються ядерних перетворень - реакції з випусканням нейтронів, заряджених частинок; реакції захоплення (в разі цих реакцій складене ядро ​​не випускає ніяких частинок, а переходить в основний стан, випромінюючи один або кілька γ-квантів).

Перша в історії ядерна реакція була здійснена Резерфордом

1939 рік - О. Ган і Ф. Штрассман відкрили розподіл ядер урану: при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи- радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) - осколки ділення і ін. Розподіл важкого ядра на два осколки супроводжується виділенням енергіїблизько 1 МеВ на кожен нуклон.

Наприклад, можливі два варіанти перебігу реакції поділу ядер урану.

В основу теорії розподілу атомних ядер покладена крапельна модель ядра. Ядро розглядається як крапля електрично зарядженою нестисливої ​​рідини (а) з щільністю, рівною ядерної, і підкоряється законам квантової механіки. При захопленні нейтрона стійкість такої зарядженої краплі порушується, ядро ​​приходить в коливання- поперемінно то витягується, то стискається. Імовірність поділу ядер визначається енергією активації - мінімальною енергією, необхідною для здійснення реакції поділу ядра. При енергіях збудження менших ніж енергія активації поділу, деформація ядра-краплі не доходить до критичної (б), ядро ​​не ділиться і повертається в АГАЛЬНІ енергетичний стан, випустивши γ-квант. При енергіях збудження більше енергії активації поділу деформація краплі досягає критичного значення (в) утворюється і подовжується "перетяжка" в краплі (г) і настає поділ (д).

Кожен з миттєвих нейтронів, що виникли в реакції поділу, взаємодіючи з сусідніми ядрами речовини, що ділиться, викликає в них реакцію поділу. При цьому йде лавиноподібненаростання числа актів поділу - починається ланцюгова реакція поділу - ядерна реакція, в якій, які призводять до реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Умовою виникнення ланцюгової реакції є наявність розмножуються нейтронів.

Коефіцієнтом розмноження нейтронів k називається відношення числа нейтронів, що виникають в деякому ланці реакції, до числа таких нейтронів в попередньому ланці.

Необхідна умова розвитку ланцюгової реакції: k> 1. Така реакція називаються розвивається реакція. При k = 1 йде самопідтримується реакція. при k<1 идет затухающая реакция.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для цього ізотопу - від його кількості, а також розмірів і форми активної зони - простору, де відбувається ланцюгова реакція.

Мінімальні розміри активної зони, при яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називається критичними розмірами.

Мінімальна маса речовини, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгової реакції, називається критичною масою.

Ланцюгова реакція діляться на керовані і некеровані. Вибух атомної бомби - приклад некерованою реакції. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

Пристрій, в якому підтримується керована реакція ділення ядер, називається ядерним (або атомним) реактором. Ядерні реактори використовуються, наприклад, в атомних електростанціях.

Розглянемо схему реактора на повільних нейтронах. Ядерним пальним в таких реакторах можуть бути:

1) - в природному урані його міститься приблизно 0,7%;

2), виходить з по схемі

3) виходить з торію за схемою

В активній зоні реактора розташовані тепловиділяючі елементи з ядерного пального (твели) 1 і сповільнювач 2 (в ньому нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей). Твели представляють собою блоки з подільного матеріалу, укладені в герметичну оболонку, слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяється при поділі ядер, твели розігріваються, а тому для охолодження вони поміщаються в потік теплоносія 3. Активна зона оточена відбивачем 4, що зменшує витік нейтронів. Підтримка стаціонарного режиму реактора проводиться за допомогою керуючих стрижнів 5 з матеріалів, сильно поглинаючих нейтрони, наприклад

з бору або кадмію. Теплоносієм в реакторі служить вода, рідкий натрій і ін. Теплоносій в парогенераторі віддає своє тепло пару, який надходить в парову турбіну. Турбіна обертає електричний генератор, струм від якого надходить в електричну мережу.

Наші завдання:познайомити з основними видами радіоактивного розпаду, в віртуальних експериментах показати ланцюжка радіоактивних перетворень і спосіб вимірювання постійної розпаду.

ядерна реакція - вимушенеперетворення атомного ядра під дією інших частинок (про спонтанномузміні атомних ядер шляхом випускання елементарних частинок - радіоактивностічитайте в інший лекції).

Якщо Ви сумніваєтеся, чи бачили коли небуть ядерну реакцію, погляньте в ясний день на небо. Про реакціях на Сонце поговоримо пізніше.

Найчастіше на ядро Аналітає порівняно легка частинка а(Наприклад, нейтрон, протон, α -частинка і т.д.), і при зближенні на відстань близько 10 -15 м в результаті дії ядерних сил утворюється ядро Ві легша частка b.

Сукупність частинок і ядер, що вступають в реакцію (на малюнку А + а), Називають вхіднимканалом ядерної реакції, а отримувані в результаті реакції - вихіднимиканалами. Якщо кінетична енергія налітаючої частки аневелика, то утворюється дві частки: власне частка і ядро.

Пружне і непружні розсіювання - окремі випадки ядерного взаємодії, коли продукти реакції збігаються з вихідними.

Класифікація ядерних реакцій

За типом частинок, що викликають реакцію
1. реакції під дією заряджених частинок
2. реакції під дією нейтронів
3. реакції під дією γ квантів - Фотоядерні реакції

Закони збереження в ядерних реакціях

Можна придумати безліч вихідних каналів для будь-якої реакції. Однак більшість з них виявиться неможливим. Вибрати здійсненні на ділі реакції допомагають закони збереження:

Останні два вірні для сильної взаємодії. У ядерних реакціях проявляється ще цілий ряд законів, вони істотні для реакцій з елементарними частинками, їх назвемо в іншому місці.

Сукупність законів збереження дозволяє відібрати можливі вихідні канали реакції і отримати важливі відомості про властивості взаємодіючих частинок і продуктів реакції.

Прямі ядерні реакції

У прямій реакції частка встигає зіткнутися з одним (рідше з двома - -тремя) нуклонами. Ці реакції протікають дуже швидко - за час прольоту частинки через ядро ​​(10 -22 - 10 -21 с). Розглянемо для прикладу (n, p) -реакція. Імпульс нейтрона передається в основному одному нуклони, який відразу вилітає з ядра, не встигнувши обмінятися енергією з іншими нуклонами. Тому нуклони повинні вилітати з ядра переважно в передньому напрямку. Енергія вилетів нуклона повинна бути близька до енергії налітаючого.

Кінетична енергія налітаючої частки повинна бути досить великою (уявіть стінку, складену з кубиків. Якщо різко вдарити по одному з них, то його можна вибити, майже не торкнувшись інших. При повільному впливі стінка розвалиться.)

При малих енергіях може йти реакція зриву(D, p). Дейтрон поляризується при наближенні до ядра, нейтрон захоплюється ядром, а протон продовжує рух. Для такого процесу взаємодія має відбуватися у краю ядра. У дейтроні протон і нейтрон пов'язані слабо.

Таким чином, відмітними особливостями прямих реакцій є:
1. час протікання ~ 10 -21 с;
2. кутовий розподіл продуктів витягнуто в напрямку руху налітаючої частки;
3. особливо великий внесок в перетин ядерних процесів при високих енергіях.

Рис.2 Схема екзотермічної реакції

Енергетична схема ядерної реакції

Зобразимо ядерну реакцію у вигляді енергетичної діаграми (рис.2). Ліва частина малюнка відноситься до першої стадії - утворення складеного ядра, права - розпад цього ядра. T "a- частина кінетичної енергії налітаючої частки, яка пішла на порушення ядра, ε a- енергія зв'язку частинки aв складеному ядрі, ε b- енергія зв'язку частинки bв тому ж ядрі.

У наявності позірна суперечність: ядро C- квантовомеханічна система з дискретними енергетичними рівнями, а енергія збудження, як видно з (1), безперервна величина (енергія T aможе бути будь-який). Розібратися з цим дозволить наступний розділ.

Перетин ядерної реакції, що йде через складене ядро

Рис.3 Розумієте енергії рівня збудженого стану

Оскільки є дві незалежні стадії в ході реакції, перетин можна представити у вигляді добутку перетину утворення складеного ядра σ сості ймовірності розпаду його по i-му каналу f i

Атомне ядро ​​є квантовою системою. Оскільки кожен з порушених рівнів спектра має кінцеве середній час життя τ , Ширина рівня Γ також кінцева (рис.3) і пов'язана із середнім часом життя співвідношенням, що є наслідком співвідношення невизначеності для енергії і часу Δt · ΔE ≥ ћ:

Розглянемо випадок, коли рівні енергії складеного ядра розділені (ширини рівнів Γ менше відстаней між ними ΔE). При збігу енергії збудження з енергією одного з рівнів E 0перетин реакції (A, b)матиме резонансний максимум. У квантовій механіці доводиться, що перетин утворення складеного ядра описується формулою Брейта-Вігнера

(6)

де λ a- довжина хвилі де Бройля падаючої частинки, Γ - повна ширина рівня, Γ a- ширина рівня щодо пружного розсіювання (часткова, парціальна ширина).

Розберемося з ширинами рівня. Імовірність розпаду складеного ядра f iобернено пропорційна часу життя τ iщодо цього розпаду. А час життя τ iв свою чергу згідно (5) обернено пропорційно ширині Γ i, Званої парціальної (часткової). В результаті ймовірності f iпропорційні ширинам Γ i, І їх можна уявити

Рис.4 Перетин освіти складеного ядра

сума Σf i = 1, а ΣΓ i = Γ. З парціальними ширинами зручніше мати справу, ніж з можливостями.

Повна ширина рівня Γ слабо залежить від швидкості налітаючої частки v a, а Γ aпропорційна цій швидкості. Довжина хвилі де Бройля обернено пропорційна швидкості v a. Тому далеко від резонансу при малих швидкостях перетин зростає як 1 / v a(Можна собі пояснити це тим, що повільна частка більше часу проводить у ядра, і ймовірність захоплення її збільшується). при E ~ E 0перетин захоплення різко зростає (рис.4). У формулі (6) E- кінетична енергія налітаючої частки, а E 0- енергія рівня складеного ядра, відрахувати від енергії зв'язку: Енергія рівня = ε a + E 0.

Ядерні реакції під дією нейтронів

Основні реакції під дією нерелятівістскіх нейтронів показані на схемі (рис.5). Там і надалі будемо позначати буквою Aядро з масовим числом A.

Розглянемо їх по порядку.

пружне розсіяння

Нейтрони в ядерних реакціях з зарядженими частинками і при розподілі ядер народжуються швидкими ( T nпорядку декількох МеВ), а поглинаються, як правило, повільними. Уповільнення відбувається за рахунок багаторазових пружних зіткнень з ядрами атомів.

Є дві можливості: відхилення нейтрона полем ядра без захоплення - потенційне розсіювання, І виліт нейтрона з складеного ядра - резонансне розсіювання. Так що перетин є сума σ упр = σ піт + σ рез.

Рис.6 Перетин пружного розсіяння нейтронів на ядрах урану

Тоді згідно (1) розсіювання буде відбуватися з нульовим моментом імпульсу ( L = 0, s- розсіювання). Кутовий розподіл розсіяних нейтронів в системі центру інерції изотропно. Насправді ці "малі" енергії не так вже й малі: у водні ~ 10 МеВ, в свинці ~ 0.4 МеВ. Перетин потенційного розсіювання в цьому випадку не залежить від енергії нейтрона і одно

У перетині резонансного розсіювання

ширина Γ nпрямо пропорційна швидкості, а довжина хвилі де Бройля λ обернено пропорційна їй. Тому в залежності від енергії маємо тільки резонансний пік при E = E 0. В результаті для залежності перетину пружно розсіювання нейтронів від енергії маємо п'єдестал з резонансними піками (рис.6).

непружне розсіювання

Ядро-розсіювач виявляється в збудженому стані: n + A => (A + 1) * => A * + n. Очевидно, реакція має пороговийхарактер: енергія налітаючого нейтрона повинна бути достатня для перекладу ядра-мішені в збуджений стан. Вивчаючи спектри нейтронів і супроводжуючого γ - випромінювання, отримують відомості про структуру енергетичних рівнів ядра.

Кілька слів про те, як можна виміряти перетин пружного розсіювання. При кінетичної енергії нейтронів, більшою приблизно 1 МеВ,

основними процесами будуть пружне і непружні розсіювання σ = σ упр + σ неупр. Нехай на відстані Lвід джерела Sпоміщений детектор D(Рис.7). Оточимо джерело сферою радіуса Rі товщиною стінок d. якщо розсіювання чисто пружне, То, можна показати, ослаблення уздовж лінії, що з'єднує джерело і детектор, компенсується розсіюванням сферою в сторону детектора з інших напрямків. Якщо спостерігається зменшення показань детектора, то воно обумовлено непружним розсіюванням

тут N- концентрація ядер в мішені. Кілька вимірювань з різними товщинами дозволяють знайти перетин σ неупр.

радіаційний захват

Радіаційний захват - захоплення нейтрона, освіта складеного ядра в збудженому стані і подальший перехід в основне з випусканням γ-випромінювання n + (A, Z) => (A + 1, Z) * ​​=> (A + 1, Z) + γ. Енергія збудження складеного ядра (2), а значить і сумарна енергія γ-квантів, перевищує енергію зв'язку нейтрона в ядрі, тобто 7 - 8 МеВ.

Як проявляється радіаційний захоплення?
• випускання γ-квантів;
• в радіоактивності (вильоту β-частинок) утворився ядра (A + 1, Z)(Дуже часто ядро (A + 1, Z)нестабільно);
• в ослабленні потоку нейтронів N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - перетин радіаційного захоплення, d- товщина мішені).

Рис.10 Перетин радіаційного захоплення ядрами індію.

При малих енергіях нейтронів дуже сильні резонансні ефекти і перетин радіаційного захоплення

Для повільних нейтронів Γ = Γ n + Γ γі Γ γ ≈ const ~ 0.1 еВ. Тому залежність перетину радіаційного захоплення від енергії повторює залежність перетину утворення складеного ядра. Відзначимо дуже велике значення перетину захоплення индием (рис.10) при енергії нейтронів 1.46 еВ. Воно на 4 порядки перевищує геометричне перетину ядра. Індій включають в з'єднання з кадмієм для використання в якості поглинаючих матеріалів в реакторах.

Як зазначалося, ядро (A + 1, Z), Що утворилося в результаті захоплення нейтрона дуже часто радіоактивно з коротким періодом напіврозпаду. Радіоактивне випромінювання та радіоактивний розпад добре відомі для кожного елемента. З 1936 року наведена опроміненням нейтронами радіоактивність використовується для ідентифікації елементів. Метод отримав назву "Активаційний аналіз". Досить проби близько 50 мг. Активаційний аналіз може виявити до 74 елементів і використовується для визначення домішок в надчистих матеріалах (в реакторобудуванні і електронної промисловості), вмісту мікроелементів в біологічних об'єктах при екологічних і медичних дослідженнях, а також в археології та криміналістиці. Активаційний аналіз успішно використовується також при пошуку корисних копалин, для контролю технологічних процесів і якості продукції, що випускається.

Поділ ядра - явище, при якому важке ядро ​​ділиться на два нерівних уламка (дуже рідко на три). Відкрито воно в 1939 році німецькими радіохіміками Ганом і Штрасманом, які довели, що при опроміненні урану нейтронами утворюється елемент з середини періодичної системи барій 56 Ba.

Через кілька днів після звістки про це італійський фізик Е. Фермі (переїхав в США) поставив досвід зі спостереження осколківподілу. Сіль урану була нанесена на внутрішню сторону пластин імпульсної іонізаційної камери (рис.11). При попаданні зарядженої частинки в обсяг камери на виході маємо електричний імпульс, амплітуда якого пропорційна енергії частинки. Уран радіоактивний, α-частинки дають численні імпульси малої амплітуди. При опроміненні камери нейтронами виявлені імпульси великої амплітуди, викликані осколками поділу. Осколки мають більші зарядом і енергією ~ 100 МеВ. Декількома днями раніше Отто Фріш спостерігав оскільки в камері Вільсона.

розрізняють
• вимушене розподіл- розподіл під дією налітаючої частки (найчастіше нейтрона)

  Зазвичай кінетична енергія налітаючої частки T a невелика і реакція йде через складене ядро: a + A => C * => B 1 + B 2

• спонтанне ділення (мимовільне). Відкрито радянськими фізиками Флерова і Петржаком в 1940 році. Уран 235 U ділиться з періодом напіврозпаду приблизно 2 * 10 17 років. На 1 розподіл припадає 10 8 α-розпадів, і виявити це явище надзвичайно важко.

Елементарна теорія розподілу

За допомогою крапельної моделі з'ясуємо основні умови можливості поділу.

енергія поділу

Розглянемо розподіл ядра Cна два осколка C => B 1 + B 2. Енергія буде виділятися, якщо енергії зв'язку ядра і осколків пов'язані співвідношенням

G оск = G C - G 1 - G 2 На основі крапельної моделі з'ясуємо, за яких масових числах A Cі порядкових номерах Z Cумова (7) виконується.

(8)

Підставами ці вирази в (7), при цьому приймемо для меншого осколка Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A Cі для більш важкого Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

Перші і четверті складові в (8) скоротяться, тому що вони лінійні щодо Aі Z.

Перші два доданків в (9) - зміна енергії поверхневого натягу ΔW пов, А останні два - зміна кулоновской енергії ΔW кул. Нерівність (7) тепер виглядає так

G оск = - ΔW пов - ΔW кул = 0.25 · ΔW пов - 0.36 · ΔW кул

якщо Z 2 / A> 17, То енергія виділяється. ставлення Z 2 / Aназивають параметром поділу.

Умова Z 2 / A> 17виконується для всіх ядер, починаючи з срібла 47 108 Ag. Нижче стане ясно, чому в реакторах використовується як пальне дорогою уран, а не дешевші матеріали.

механізм розподілу

Умова Z 2 / A> 17виконується для всіх елементів другої половини таблиці Менделєєва. Однак досвід говорить, що діляться тільки дуже важкі ядра. В чому справа? Згадаймо α розпад. Дуже часто він енергетично вигідний, а не відбувається, тому що перешкоджає кулонівський бар'єр. Подивимося, як йде справа в разі поділу. Можливість поділу залежить від величини суми поверхневої і кулоновской енергій вихідного ядра і осколків. Подивимося, як змінюються ці енергії при деформації ядра - збільшенні параметра розподілу ρ .

Енергія поверхневого натягу W повзбільшується, потім, коли осколки візьмуть сферичну форму, залишається постійною. кулонівська енергія W култільки зменшується, спочатку повільно, а потім як 1 / ρ. Сума їх при Z 2 / A> 17і Z 2 / A поводиться, як показано на малюнку 13. У наявності наявність потенційного бар'єру висотою B f, Що перешкоджає поділу. Спонтанне ділення може відбуватися за рахунок квантово-механічного явища просочування (тунельного ефекту), але ймовірність цього надзвичайно мала, тому період напіврозпаду, як згадувалося вище, дуже великий.

якщо Z 2 / A> 49, То висота бар'єру B f = 0, І розподіл такого ядра відбувається миттєво (за ядерне час порядку 10 -23 с).

Для поділу ядра треба повідомити йому енергію, більшу B f. Це можливо при захопленні нейтрона. У цьому випадку формула (2) буде виглядати як

(11)

тут ε n- енергія зв'язку нейтрона в ядрі, отриманого при його захопленні; T n- кінетична енергія налітаючого нейтрона.

Підіб'ємо підсумок розгляду взаємодії нейтронів.

Ядерні реакції під дією заряджених частинок

На відміну від нейтронів при розгляді зіткнень заряджених частинок з ядром необхідно враховувати наявність кулонівського

бар'єру. Взаємодія нейтрона з ядром характеризується глибокою (30 - 40 МеВ) потенційної ямою радіусом R я(Рис.14). Нейтрон, близько підійшов до ядра, відчуває сильне тяжіння. У разі взаємодії заряджених частинок з ядром потенційна крива має вигляд ріс14б. При наближенні до ядра маємо спочатку кулоновское відштовхування (дальнодействующіх сили), а на відстані близько R явступає в дію потужну ядерну тяжіння. Висота кулонівського бар'єру B кулприблизно дорівнює

Наприклад, для протонів при зіткненні з ядром кисню висота бар'єру складе 3.5 МеВ, а з ураном - 15 МеВ. для α частинок висоти бар'єрів в 2 рази вище. Якщо кінетична енергія частинки T, є ймовірність, що частка потрапить в ядро ​​за рахунок тунельного ефекту. Але прозорість бар'єру надзвичайно мала, скоріше за все відбудеться пружне розсіяння. З цієї ж причини зарядженої частинки важко покинути ядро. Згадаймо α розпад.

Залежність перетину ядерної реакції для заряджених частинок має пороговий характер. Але резонансні піки слабо виражені або зовсім відсутні, тому що при енергіях ~ МеВ щільність рівнів ядра велика і вони перекриваються.

У майбутньому великі надії пов'язані з термоядерними реакціями синтезу типу 2 H + 2 H => 3 He + pабо 2 H + 3 H => 4 He + n, Які відрізняються дуже великим виділенням енергії. Перешкодою для здійснення таких реакцій є кулонівський бар'єр. Треба розігрівати речовина до таких температур, щоб енергія частинок kTдозволила їм вступити в реакцію. температура 1.16 × 10 7відповідає 1 кеВ. Для отримання самоподдерживающейся "плазмової" реакції повинні виконуватися три умови:

плазма повинна бути нагріта до необхідних температур,

щільність плазми повинна бути досить високою,

температура і щільність повинні підтримуватися протягом тривалого інтервалу часу.

І тут суцільні проблеми: утримання плазми в магнітних пастках, створення матеріалів для реактора, які витримали б потужне нейтронне опромінення і т.п. Поки неясним є навіть те, наскільки може бути рентабельним виробництво електроенергії з використанням термоядерного синтезу. Спостерігається постійний прогрес в дослідженнях.

Максимальна втрата енергії (мінімальна E "n) Буде при θ = π : E "хв = αE(Для водню E "хв = 0).

При малих енергіях (див. (1)) розсіювання изотропно, все значення кутів θ різновірогідні. Оскільки між кутом розсіювання θ і енергією розсіяного нейтрона E "nзв'язок однозначна (12), розподіл нейтронів по енергії після однократного розсіювання буде рівномірним (рис.15). Його можна представити у вигляді формули

(13)

Середня логарифмічна втрата енергії. Уповільнює здатність. коефіцієнт уповільнення

Подивимося, як позначиться на енергії нейтрона велике число зіткнень. При цьому зручно користуватися не шкалою енергій, а шкалою логарифмів ε = lnE: Ми бачили (див. (12)), що E "/ Eне залежить від E, Тобто в середньому однаковий відсоток втрати енергії. На шкалі енергій зміна енергії виглядає так

Тобто саме lnE, а не Eзмінюється на більш-менш фіксовану величину.

Середня енергія нейтрона після зіткнення

Середня втрата енергії

Середня логарифмічна втрата енергії

ξ не залежить від E. Рух уздовж осі lnEрівномірний. Можна просто підрахувати середнє число зіткнень nдля уповільнення від E почдо кінцевої E кін:

(14)

У таблиці нижче наведені значення ξ і nдля ряду ядер при уповільненні нейтрона від енергії 1 МеВ до теплової 0.025 еВ.

				ξΣ s, 1 / см	ξΣ s / Σ a

Роздивляючись 4-ї колонку, може здатися, що краще за інших уповільнює водень. Але треба врахувати ще частоту зіткнень. Для газоподібного і рідкого водню ξ = 1, Але ясно, що шлях, прохідний при уповільненні буде різний. У 5-ій колонці наведені логарифмічні втрати ξ , Помножені на частоту зіткнень - замедляющая здатність. І тут найкращий сповільнювач - звичайна вода. Але хороший сповільнювач повинен слабо поглинати нейтрони. В останній, 6-ий колонці, середня логарифмічна втрата помножена на відношення макроскопічних перерізів розсіювання та поглинання. Порівнюючи числа, зрозуміло, чому в атомних реакторах як сповільнювач використовують важку воду або графіт.

Середній час уповільнення

Оцінимо час, необхідне нейтрону для уповільнення в результаті зіткнень від початкової енергії E 0до кінцевої E до. Розіб'ємо вісь енергій на малі відрізки ΔE. Число зіткнень на відрізку ΔEпоблизу E

Довжина вільного пробігу λ sвизначається перетином пружного розсіювання σ sі концентрацією ядер сповільнювача N

, (15)

де Σ s- величина, яка називається макроскопічними перетином. Час, необхідний для уповільнення на ΔE, Визначимо як добуток відрізка часу на проходження довжини вільного пробігу на число зіткнень на ΔE

Переходячи до нескінченно малим величинам і інтегруючи, отримаємо для часу уповільнення t

Наприклад, для берилію при E 0= 2 МеВ, E до= 0.025 еВ, λ s= 1.15 см, ξ = 0.21 отримуємо ~ 3.4 · 10 -5 с. Відзначимо, що, по-перше, ця величина значно менше періоду напіврозпаду вільного нейтрона (~ 600 с), і, по-друге, вона визначається рухом поблизу кінцевої енергії.

Просторовий розподіл нейтронів

Нехай в середовищі є точковий ізотропний джерело швидких нейтронів з початковою енергією E 0. відстань L зам, На яке в середньому видаляються нейтрони при уповільненні до E до, називається довжиною уповільнення. Реальний шлях, прохідний нейтроном, істотно більше, тому що траєкторія руху - це ламана лінія з відрізків довжиною λ s. величина L замвизначається параметрами середовища уповільнення, початкової і кінцевої енергією нейтрона:

Для важкої води при уповільненні від 2 МеВ до теплової 0.025 еВ L зам~ 11 см, для графіту ~ 20 см.

В результаті уповільнення в обсязі з радіусом порядку довжини уповільнення народжуються теплові нейтрони з максвелловським розподілом по енергії. Теплові нейтрони починають дифундувати (хаотично рухатися), поширюючись по речовині на всі боки від джерела. Цей процес описується рівнянням дифузії з обов'язковим урахуванням поглинання нейтронів

(16)

У цьому рівнянні Φ - потік нейтронів (число нейтронів, що перетинають одиничну площадку в одиницю часу), Σ sі Σ a- макроскопічні перерізи розсіяння (див. (15)) і поглинання, відповідно, D- коефіцієнт дифузії, S- джерело нейтронів. У цьому рівнянні перший доданок описує рух нейтронів в речовині, друге - поглинання, і третє народження.

Основною характеристикою середовища, яка описує процес дифузії, є довжина дифузії L дифф

Довжина дифузії характеризує середнє видалення нейтрона від джерела до поглинання. Для важкої води L дифф~ 160 см, для графіту ~ 50 см. Звичайна вода сильно поглинає нейтрони і L диффвсього 2.7 см. Наскільки звивистий і довгий шлях нейтрона при дифузії можна судити, якщо порівняти довжину дифузії (в графіті 50 см) із середньою довжиною шляху нейтрона до поглинання λ a = 1 / Σ a(В тому ж графіті 3300 см).

На практиці часто мають справу з переходом нейтронів з одного середовища в іншу. Наприклад, активна зона реактора оточена відбивачем. коефіцієнт відображення β - частка нейтронів, які повертаються в середовище, що має джерела, з навколишнього середовища без джерел. наближено, β ≈ 1 - 4 · D / L дифф, Де параметри відносяться до середовища без джерел. Наприклад, з графітового відбивача β = 0.935, тобто 93% нейтронів повернеться. Графіт - відмінний відбивач. Краще тільки важка вода, де β = 0.98!

Ланцюгова реакція в середовищі, що містить речовина, що ділиться

Маємо однорідну середу, що містить речовина, що ділиться. Сторонніх джерел нейтронів немає, вони можуть з'являтися тільки в результаті поділу ядер. Будемо вважати, що всі процеси йдуть при одній енергії (так зване одношвидкісними наближення). Питання: чи можна з цієї речовини зробити кулю, в якому підтримувалася б стаціонарна ланцюгова реакція?

Нам будуть потрібні:

• макроскопическое перетин поглинання нейтронів Σ погл, Яке складається з перетину захоплення без поділу Σ захва(Радіаційний захоплення) і перетину ділення Σ справ: Σ погл = Σ захва + Σ справ;
• середнє число нейтронів υ , Що звільняються в одному акті поділу.

Тоді рівняння для потоку нейтронів Φ в стаціонарному випадку буде виглядати як

з граничною умовою

,

яке позначає, що на деякій відстані dвід кулі з речовиною, що ділиться радіусу Rпотік повинен звернутися в нуль.

Якщо порівняти рівняння для потоку Φ з (16), то видно, що в якості джерела виступає величина υΣ справ Φ- число нейтронів, народжуваних в одиниці об'єму в одиницю часу.

Розглянемо три випадки

υΣ справ - нейтронів народжується менше, ніж поглинається. Очевидно, стаціонарна реакція неможлива.

• υΣ справ = Σ погл- джерело компенсує поглинання нейтронів. Рішення рівняння (17) дає Φ = constтільки для нескінченної середовища, Інакше за рахунок витоку нейтронів через кордон середовища реакція загасне.

  υΣ справ> Σ погл- можна підібрати такі розміри кулі з речовини, що ділиться, щоб надлишок нейтронів йшов через кордони кулі (не допустити ядерного вибуху).

введемо позначення ω 2 = (Σ погл - υΣ справ) / D> 0. Рівняння (17) набуде вигляду

(18)

його загальне рішеннявиглядає як

(19)

коефіцієнт Bв (19) треба покласти рівним нулю, щоб рішення не розходилося при r = 0. Знаходження остаточного рішення ускладнений коректним урахуванням граничної умови, і для природної суміші ізотопів урану (235 U - 0.7%, 235 U - 99.3%, Σ погл= 0.357 1 / см, Σ справ= 0.193 1 / см, υ = 2.46) отримуємо в якості мінімального значення за все R ≈ 5см. Чим ця задача відрізняється від реальної? Насправді нейтрони народжуються швидкими, і їх треба уповільнити до теплових енергій. Перший реактор, побудований Е. Фермі (1942 рік), мав розміри близько 350 см.

Ланцюжкова реакція. Атомний реактор

Пристрої, в яких енергія виходить за рахунок стаціонарної ланцюгової реакції поділу, називають атомнимиреакторами (наприклад, говорять, атомна електростанція, АЕС), хоча по суті це ядерніреактори. Конструкція атомних реакторів дуже складна, але необхідним елементом будь-якого реактора є активна зона, в якій відбувається реакція поділу.

Активна зона містить речовина, що ділиться, сповільнювач, керуючі (регулюють) стрижні, елементи конструкції і оточена відбивачем нейтронів для зменшення втрат останніх. Все це знаходиться всередині захисту від потоку нейтронів, γ -випромінювання.

Доля нейтрона в активній зоні

захоплення ядром урану з подальшим розподілом цього ядра;

захоплення ядром урану з подальшим переходом ядра в основний стан з випусканням γ квантів (радіаційний захоплення);

захоплення ядрами сповільнювача або елементів конструкції;

виліт з активної зони;

поглинання регулюючими стрижнями.

Нейтрони випускаються при розподілі ядер, потім поглинаються або залишають активну зону. позначимо через kкоефіцієнт розмноження - відношення числа нейтронів наступного покоління n i + 1до числа в попередньому n i

Якщо ввести час життя покоління τ , То рівняння для числа нейтронів nі його рішення будуть виглядати так

(21)

якщо коефіцієнт kвідмінний від 1, то число нейтронів зменшується ( k) або зростає ( k> 1) За експоненціальним законом, т.е.очень швидко.

(Простежте за впливом коефіцієнта розмноження kі часу життя покоління τ на динаміку числа нейтронів на простому досвіді)

коефіцієнт розмноження kможна представити у вигляді добутку коефіцієнта k ∞для нескінченної середовища та ймовірності НЕпокинути активну зону χ

величина χ залежить від складу активної зони, її розмірів, форми, матеріалу відбивача.

Розглядаючи реактор, що працює на теплових нейтронів, коефіцієнт k ∞можна представити у вигляді чотирьох співмножників

де

ε - коефіцієнт розмноження на швидких нейтронах (для реальних систем з урану і графіту ε ~ 1.03);

p- ймовірність уникнути резонансного захоплення при уповільненні. Згадаймо, що народжуються нейтрони швидкими, і при уповільненні до теплових енергій їм треба подолати область резонансів в перерізі поглинання (див. Рис.10);

f- частка нейтронів, що поглинається ядрами урану (а не сповільнювач або елементів конструкції). ε · p · f ≈ 0.8;

η - середнє число нейтронів, що випускаються на один акт захоплення ядром урану (при захопленні може статися поділ ядра, а може випускання γ квантів). η ≈ 1.35(Порівняйте з ~ 2.5 для числа нейтронів на один акт поділу).

З наведених даних випливає k ∞ = 1.08і χ = 0.93, Що відповідає розмірам реактора близько 5 - 10 м.

критична маса- мінімальна маса речовини, при якій в ньому може відбуватися самопідтримується ядерна реакція поділу. Якщо маса речовини нижче критичної, то занадто багато нейтронів, необхідних для реакції поділу, втрачається, і ланцюгова реакція не йде. При масі більше критичної ланцюгова реакція може лавиноподібно прискорюватися, що призведе до ядерного вибуху.

Критична маса залежить від розмірів і форми ділиться зразка, так як вони визначають витік нейтронів з зразка через його поверхню. Мінімальну критичну масу має зразок сферичної форми, так як площа його поверхні найменша. Відбивачі і сповільнювачі нейтронів, що оточують діляться речовина, можуть істотно знизити критичну масу. Критична маса залежить і від хімічного складузразка.

"Дідусем" вітчизняних ядерних реакторів є перший фізичний реактор Ф-1, який отримав статус пам'ятника науки і техніки. Він запущений в 1946 році під керівництвом І.В. Курчатова. В як сповільнювач використаний очищений графіт у вигляді брусків з отворами для уранових стрижнів. Управління здійснювалося стрижнями, що містять кадмій, сильно поглинає теплові нейтрони. В активній зоні котла знаходилося 400 т графіту і 50 т урану. Потужність реактора становила близько 100 Вт, спеціальної системи відводу тепла не було. При роботі тепло акумулювалось в великій масі графіту. Потім графітову кладку охолоджували струменем повітря від вентилятора. Цей реактор справно працює і досі.

Частка ядерної енергетики в глобальному виробництві електрики становила в різні роки 10-20%. Найбільший відсоток (~ 74) електроенергії виробляється на АЕС у Франції. У Росії ~ 15%.

Як виглядає процес фізичного пуску атомного реактора показує комп'ютерна модель.

Якщо Ви хочете перевірити, як засвоєно матеріал лекції,

Велику роль у розвитку уявлень про структуру ядер зіграло вивчення ядерних реакцій, що дало велику інформацію про спинах і парності збуджених станів ядер, сприяло розвитку моделі оболонок. Вивчення реакцій з обміном декількома нуклонами між стикаються ядрами дозволило дослідити ядерну динаміку в стані з великими кутовими моментами. В результаті були відкриті довгі ротаційні смуги, що стало однією з основ створення узагальненої моделі ядра. При зіткненні важких ядер утворюються ядра, яких немає в природі. Синтез трансуранових елементів значною мірою грунтується на фізиці взаємодії важких ядер. У реакціях з важкими іонами утворюються ядра, віддалені від смуги β-стабільності. Ядра, віддалені від смуги β-стабільності, відрізняються від стабільних ядер іншим співвідношенням між кулоновским і ядерним взаємодіями, співвідношенням між числом протонів і числом нейтронів, істотними відмінностями в енергіях зв'язку протонів і нейтронів, що проявляється в нових типах радіоактивного розпаду - протонної і нейтронної радіоактивності і рядом інших специфічних особливостей атомних ядер.
При аналізі ядерних реакцій необхідно враховувати хвильову природу частинок, що взаємодіють з ядрами. Хвильовий характер процесу взаємодії частинок з ядрами чітко проявляється при пружному розсіянні. Так для нуклонів з енергією 10 МеВ наведена дебройлевская довжина хвилі менше радіуса ядра і при розсіянні нуклона виникає характерна картина дифракційних максимумів і мінімумів. Для нуклонів з енергією 0.1 МеВ довжина хвилі більше радіуса ядра і дифракція відсутня. Для нейтронів з енергією<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Ядерні реакції є ефективним методом дослідження ядерної динаміки. Ядерні реакції відбуваються при взаємодії двох частинок. При ядерної реакції відбувається активний обмін енергією і імпульсом між частинками, в результаті чого утворюються одна або декілька часток, що розлітаються з області взаємодії. В результаті ядерної реакції відбувається складний процес перебудови атомного ядра. Як і при описі структури ядра, при описі ядерних реакцій практично неможливо отримати точне рішення задачі. І подібно до того, як будова ядра описується різними ядерними моделями, протікання ядерної реакції описується різними механізмами реакцій. Механізм протікання ядерної реакції залежить від декількох факторів - від типу налітаючої частки, типу ядра-мішені, енергії налітаючої частки і від ряду інших факторів. Одним з граничних випадків ядерної реакції є пряма ядерна реакція. В цьому випадку налітав частка передає енергію одному-двом нуклона ядра, і вони покидають ядро, що не взаємодіючи з іншими нуклонами ядра. Характерне час протікання прямої ядерної реакції 10 -23 с. Прямі ядерні реакції йдуть на всіх ядрах при будь-якої енергії налітаючої частки. Прямі ядерні реакції використовуються для вивчення одночасткових станів атомних ядер, тому що продукти реакції несуть інформацію про стан рівнів, з яких вибивається нуклон. За допомогою прямих ядерних реакцій була отримана детальна інформація про енергії і заповненні одночасткових станів ядер, яка лягла в основу оболочечной моделі ядра. Іншим граничним випадком є ​​реакції, що йдуть через освіту складеного ядра.

Опис механізму ядерних реакцій було дано в роботах В.Вайскопфа.

В.Вайскопф: «Що відбувається, коли частка входить в ядро ​​і стикається з однією з ядерних складових частин? Малюнок ілюструє деякі з цих можливостей.
1) Падаюча частка втрачає частину своєї енергії, піднімаючи ядерну частку в більш високий стан. Це буде результатом непружного розсіювання, якщо падаюча частка залишається з енергією, достатньою для того, щоб знову покинути ядро. Цей процес називають прямим непружним розсіюванням, оскільки він передбачає розсіювання тільки на одній складової частини ядра.
2) Падаюча частка передає енергію колективного руху, як це символічно показано на другій схемі малюнка, це також є прямим взаємодією.
3) На третій схемі малюнка передана енергія досить велика для того, щоб вирвати нуклон з мішені. Цей процес також дає внесок в пряму ядерну реакцію. В принципі він не відрізняється від 1), він відповідає «обмінній реакції».
4) Падаюча частка може втратити так багато енергії, що залишається пов'язаної всередині ядра, передана енергія може бути прийнята низьколежачих нуклоном таким чином, що він не зможе залишити ядро. Ми отримуємо тоді порушену ядро, яке не може випустити нуклон. Цей стан з необхідністю призводить до подальших возбуждениям нуклонів внутрішніми сутичками, в яких енергія на збуджену частку в середньому убуває, так що в більшості випадків нуклон не може покинути ядро. Отже, буде досягнуто стан з дуже великим часом життя, яке може розпастися тільки в тому випадку, коли одна частинка при зіткненнях всередині ядра випадково придбає достатню енергію для того, щоб покинути ядро. Таку ситуацію ми називаємо освітою компаунд-ядра. Енергія може бути втрачена також випромінюванням, після якого виліт частки стає енергетично неможливим: падаючий нуклон випробує радіаційний захоплення.
5) Освіта компаунд-ядра може здійснюватися в два або більше кроків, якщо після процесу типу 1) або 2) падаючий нуклон на своєму шляху вдаряє інший нуклон і збуджує його таким чином, що виліт з ядра виявляється неможливим для будь-якого нуклона ».

Вперше уявлення про протікання ядерної реакції через стадію складеного ядра було висловлено Н.Бором. Відповідно до моделі складеного ядра, що падає частка після взаємодії з одним або двома нуклонами ядра передає ядру більшу частину своєї енергії і виявляється захопленої ядром. Час життя складеного ядра набагато більше, ніж час прольоту налітаючої частки через ядро. Внесена налетающей часткою в ядро ​​енергія перерозподіляється між нуклонами ядра до тих пір, поки значна її частина не зосередиться на одній частці і тоді вона вилітає з ядра. Освіта долгоживущего збудженого стану може в результаті деформації привести до його поділу.

Н. Бор: «Явище захоплення нейтронів змушує нас припускати, що зіткнення між швидким нейтроном і важким ядром має вести насамперед до утворення складної системи, яка характеризується чудовою стійкістю. Можливий подальший розпад цієї проміжної системи з вильотом матеріальної частинки або перехід до кінцевого стану з емісією кванта променистої енергії слід розглядати як самостійні процеси, які не мають безпосереднього зв'язку з першою фазою зіткнення. Ми зустрічаємося тут із суттєвою різницею, раніше ще нерозпізнаної, між справжніми ядерними реакціями - звичайними зіткненнями швидких частинок і атомних систем - зіткненнями, які до сих пір для нас були головним джерелом відомостей щодо будови атома. Дійсно, можливість рахунку за допомогою таких зіткнень окремих атомних частинок і вивчення їх властивостей зобов'язані, перш за все, «відкритості» розглянутих систем, яка робить вельми малоймовірними обмін енергії між окремими складовими частками протягом удару. Однак внаслідок тісного упаковки частинок в ядрі, ми повинні бути готові до того, що саме цей обмін енергії відіграє основну роль в типових ядерних реакціях ».

Класифікація ядерних реакцій.Ядерні реакції є ефективним засобом вивчення структури атомних ядер. Якщо довжина хвилі налітаючої частки більше розмірів ядра, то в таких експериментах виходить інформація про ядро ​​в цілому. Якщо менше розмірів ядра, то з перетинів реакцій витягується інформація про розподіл щільності ядерної матерії, будову поверхні ядра, кореляції між нуклонами в ядрі, розподілі нуклонів з ядерних оболонок.

• Кулонівське збудження ядер під дією заряджених частинок щодо великої маси (протони, α-частинки і важкі іони вуглецю, азоту) використовується для вивчення низьколежачих обертальних рівнів важких ядер.
• Реакції з важкими іонами на важких ядрах, що призводять до злиття ядер, що стикаються, є основним методом отримання надважких атомних ядер.
• Реакції злиття легких ядер при порівняно низьких енергіях зіткнення (так звані термоядерні реакції). Ці реакції відбуваються за рахунок квантово тунелювання крізь кулонівський бар'єр. Термоядерні реакції протікають всередині зірок при температурах 10 7 -10 10 К і є основним джерелом енергії зірок.
• Фотоядерні і електроядерних реакції відбуваються при зіткненні з ядрами γ-квантів і електронів з енергією E> 10 МеВ.
• Реакції ділення важких ядер, що супроводжуються глибокою перебудовою ядра.
• Реакції на пучках радіоактивних ядер відкривають можливості отримання і дослідження ядер з незвичайним співвідношенням числа протонів і нейтронів, далеких від лінії стабільності.

Класифікацію ядерних реакцій зазвичай проводять по типу і енергії налітаючої частки, типу ядер-мішеней і енергії налітаючої частки.

Реакції на повільних нейтронах

«1934 р Одного ранку Бруно Понтекорво і Едуардо Амальді відчували на радіоактивність деякі метали. Цим зразкам була додана форма маленьких порожніх циліндрів однакового розміру, всередині яких можна було помістити джерело нейтронів. Щоб опромінювати такий циліндр, в нього вставляли джерело нейтронів, а потім все поміщали в свинцевий ящик. У цю знаменну ранок Амальді і Понтекорво проводили досліди з сріблом. І раптом Понтекорво зауважив, що з срібним циліндром відбувається щось дивне: активність його не завжди однакова, вона змінюється в залежності від того, куди його помістять, в середину або в кут свинцевого ящика. У повному здивуванні Амальді і Понтекорво вирушили доповісти про це чудо Фермі і Разетті. Франке був схильний приписати ці дивацтва який-небудь статистичної помилку або неточним вимірюванням. А Енріко, який вважав, що кожне явище вимагає перевірки, запропонував їм спробувати опромінити цей срібний циліндрик поза свинцевого ящика і подивитися, що з цього вийде. І тут у них пішли зовсім неймовірні чудеса. Виявилося, що предмети, що знаходяться поблизу від циліндрика, здатні впливати на його активність. Якщо циліндрик опромінювали, коли він стояв на дерев'яному столі, його активність була вищою, ніж коли його ставили на металеву пластинку. Тепер уже вся група зацікавилася цим і все взяли участь в дослідах. Вони помістили джерело нейтронів поза циліндрика і між ним і циліндриком ставили різні предмети. Свинцева пластинка злегка збільшувала активність. свинець−речовина важке. «Ну-ка, давайте спробуємо тепер легке!−запропонував Фермі.−Скажімо, парафін ». Вранці 22 жовтня і був проведений досвід з парафіном.
Вони взяли великий шматок парафіну, видовбали в ньому ямку, а всередину помістили джерело нейтронів, опромінили срібний циліндрик і піднесли його до лічильника Гейгера. Лічильник, немов з ланцюга зірвався, так і защелкал. Весь будинок загриміло вигуками: «Неможливо! Неймовірно! Чорна магія!" Парафін збільшував штучну радіоактивність срібла в сто раз.
Опівдні група фізиків неохоче розійшлася на перерву, встановлений для сніданку, який зазвичай тривав у них години дві ... Енріко скористався своїм самотністю, і коли він повернувся в лабораторію, у нього вже була готова теорія, яка пояснювала дивне дія парафіну ».