1. Определение и общие
характеристики
Ядерная реакция представляет собой процесс изменения состава или
структуры ядра под воздействием внешнего воздействия — сталкивающихся
частиц или фотонов. В отличие от химических реакций, в которых
изменяются электронные оболочки атомов, ядерные реакции сопровождаются
преобразованием самого ядра, часто с выделением огромных энергий.
Энергетический масштаб ядерных процессов обычно измеряется в
мегаэлектронвольтах (МэВ), что на порядок выше энергий, характерных для
химических связей.
Основные характеристики ядерных реакций включают:
- Тип участников: нуклиды и субатомные частицы
(нейтроны, протоны, α-частицы, γ-кванты).
- Собственные константы времени: от долей секунды до
миллиардов лет в случае радиоактивного распада.
- Энергетический выход: выделение или поглощение
энергии в результате изменения массового дефекта ядра.
2. Реакции деления
Деление — это процесс расщепления тяжелого ядра на два (редко три)
более легких ядра с выделением значительного количества энергии и
нейтронов. Наиболее изученным примером является деление урана-235 под
воздействием тепловых нейтронов:
[ {}^{235} + n ^{141} + {}^{92} + 3n + ]
Ключевые особенности деления:
- Высокая энергия выделения — до 200 МэВ на одно
деление.
- Самоподдерживающаяся цепная реакция, возможная при
достаточной концентрации делящегося вещества.
- Продукты деления — обычно радиоактивные изотопы с
разнообразным спектром периодов полураспада.
3. Реакции синтеза
(ядерного соединения)
Синтез — это объединение двух легких ядер в более тяжелое с
выделением энергии. Примером является термоядерная реакция:
[ {}^{2} + {}^{3} ^{4} + n + 17,6,]
Особенности синтеза:
- Высокие температуры и давления требуются для
преодоления кулоновского барьера.
- Выделяемая энергия на нуклон выше, чем при делении
тяжелых ядер.
- Основной механизм энергии звезд, включая Солнце, и
потенциальный источник энергии термоядерных реакторов.
4. Реакции захвата
Захват происходит, когда ядро поглощает внешнюю частицу (нейтрон,
протон, α-частицу) с последующим образованием нового ядра:
[ {}^{14} + n ^{15} + ]
Особенности:
- Часто сопровождаются γ-излучением, так как
возбужденное ядро переходит в основное состояние.
- Нейтронная активация — важный инструмент в
радиохимическом анализе и производстве изотопов.
- Не требуют высоких температур (особенно для
медленных нейтронов).
5. Реакции распада
Хотя распад является спонтанным процессом, он также классифицируется
как ядерная реакция. Основные типы:
- α-распад — эмиссия α-частицы ((^{4})), характерен
для тяжелых элементов.
- β-распад — преобразование нейтрона в протон или
наоборот с эмиссией β-частицы и антинейтрино.
- γ-излучение — переход возбужденного ядра в более
низкое энергетическое состояние без изменения числа нуклонов.
6.
Реакции деления с нейтронами (спонтанные и индуцированные)
Некоторые тяжёлые ядра способны к самопроизвольному делению
(спонтанное деление), например, уран-238 или калий-252. Реакции
индуцированного деления активируются внешними нейтронами и формируют
основу работы ядерных реакторов.
7. Реакции переноса частиц
Перенос частиц происходит при столкновении ядер, когда одно или
несколько нуклонов переходят от одного ядра к другому:
[ {}^{12} + {}^{4} ^{15} + p]
Особенности:
- Важны для синтеза редких изотопов.
- Часто изучаются в ускорителях частиц.
- Могут быть как прямыми, так и сложными многоступенчатыми
процессами.
8. Реакции с фотоизлучением
(γ-реакции)
Ядра могут возбуждаться под воздействием высокоэнергетических
γ-квантов с последующим эмитированием нуклонов или α-частиц:
[ + {}^{12} ^{11} + n]
Характеристики:
- Используются для изучения структуры ядра и энергетических
уровней.
- Важны в ядерной спектроскопии.
9. Ключевые закономерности
- Закон сохранения энергии и массы: масса ядра до и
после реакции изменяется на величину, соответствующую выделившейся или
поглощённой энергии.
- Закон сохранения зарядового числа: сумма протонов
сохраняется.
- Закон сохранения импульса и момента количества
движения: влияет на распределение кинетической энергии
продуктов реакции.
10. Применение ядерных реакций
- Энергетика: реакторы деления и термоядерные
установки.
- Медицина: производство радиоактивных изотопов для
диагностики и терапии.
- Промышленность: нейтронная активация для анализа
состава материалов.
- Наука: исследование структуры и свойств атомного
ядра, создание новых элементов.
Ядерные реакции являются фундаментальным инструментом радиохимии,
обеспечивая как понимание природы атомного ядра, так и практические
методы получения энергии и радиоактивных изотопов. Их разнообразие и
строго определённые закономерности позволяют систематизировать процессы
и прогнозировать поведение ядер в различных условиях.