Пороговые реакции

Определение и суть явления Пороговые реакции в ядерной химии представляют собой процессы, при которых ядерная реакция происходит только при достижении определённой минимальной энергии сталкивающихся частиц. Энергия, необходимая для запуска реакции, называется энергией порога. Если энергия частиц ниже этого значения, вероятность реакции стремится к нулю.

Энергетический порог связан с балансом масс реагирующих ядер и продуктов реакции. В ядерной физике этот баланс выражается через энергию связи и массовый дефект. Реакция становится возможной лишь тогда, когда кинетическая энергия взаимодействующих частиц компенсирует разность энергий между начальными и конечными состояниями.

Классификация пороговых реакций Пороговые реакции можно разделить по типу участвующих частиц и характеру реакции:

  1. Реакции с нейтронами

    • Например, ({27}(n,){24}).
    • Нейтроны, не имея заряда, легче преодолевают кулоновский барьер, но всё равно имеют пороговую энергию, необходимую для ядерного взаимодействия.

  2. Реакции с заряженными частицами

    • Примеры: ((p,n)), ((p,)), ((,n)).
    • Заряженные частицы испытывают кулоновское отталкивание, поэтому пороговая энергия здесь всегда выше, чем для нейтронных реакций.

  3. Фотоядерные реакции

    • Инициируются γ-квантами с энергией, превышающей порог для разрыва ядра: ((,n)), ((,p)).
    • Порог определяется энергетическим уровнем связи нуклона в ядре.

Механизм пороговой реакции Процесс можно описать через последовательность этапов:

  1. Сближение частиц

    • Для реакций с заряженными частицами необходима энергия, достаточная для преодоления кулоновского барьера: [ E_ > ] где (Z_1, Z_2) — заряды ядер, (r_0  ).

  2. Взаимодействие ядер

    • После преодоления барьера нуклоны вступают в кратковременную сложную конфигурацию, называемую комплексным ядром.

  3. Разделение продуктов реакции

    • Избыточная энергия преобразуется в кинетическую энергию продуктов реакции, либо излучается γ-квантами.

Энергетические расчёты Энергия порога (E_) может быть вычислена через массы участвующих ядер: [ E_ = ] где (M) — массы ядер в атомных единицах, (c) — скорость света.

Особенности пороговых реакций

  • Остроконечная зависимость от энергии: вероятность реакции резко возрастает при превышении порога.
  • Нейтронные реакции имеют низкие пороги, что объясняет их широкое применение в реакторах.
  • Фотоядерные реакции требуют γ-квантов высокой энергии, что делает их менее распространёнными в природе.
  • Обратимые реакции могут иметь разные пороговые энергии для прямого и обратного процессов из-за распределения кинетической энергии между продуктами.

Примеры практического применения

  1. Изотопное производство

    • Реакции ({27}(n,){24}) и ({59}(n,p){59}) применяются для получения радионуклидов.

  2. Ядерная энергетика

    • Пороговые реакции с нейтронами используются для управления цепными реакциями и расчёта критической массы.

  3. Физика элементарных частиц

    • Изучение пороговых реакций позволяет определять сечения взаимодействия и исследовать структуру ядра.

Экспериментальные методы определения порога

  • Активиметрия: измерение активности продукта реакции при постепенном увеличении энергии пучка частиц.
  • Спектроскопия нейтронов и γ-лучей: выявление появления новых каналов распада.
  • Точечные измерения с ускорителями: определение минимальной энергии, при которой наблюдается появление продуктов реакции.

Теоретические модели

  1. Модель кулоновского барьера

    • Используется для реакций с заряженными частицами, оценивает вероятность преодоления энергетического барьера.

  2. Модель компаундного ядра (compound nucleus model)

    • Позволяет предсказывать распределение энергии среди продуктов реакции и оценивать сечение реакции при энергии около порога.

  3. Модель фотоядерного взаимодействия

    • Связана с возбуждением ядра γ-квантами и последующим эмиссией нуклонов.

Пороговые реакции являются фундаментальной областью ядерной химии, обеспечивая понимание механизмов ядерного взаимодействия, распределения энергии в ядерных системах и возможности практического использования радионуклидов и нейтронных потоков.

Оглавление