Ядерные реакции

Преобразование ядер в явлениях естественной радиоактивности побудило ученых к осуществлению искусственной перестройки ядер под действием элементарных частиц или других ядер.

Перестройку ядер в результате таких воздействий называют ядерной реакцией.

Ядерная реакция Резерфорда

Первую ядерную реакцию осуществил английский физик Э. Резерфорд в 1919 г.

Исследуя рассеяние α-частиц при прохождении через металлическую фольгу сначала в полой камере, а затем в камере, наполненной воздухом, он заметил, что количество сцинтилляций на экране не уменьшается, а увеличивается. Это можно было объяснить разделением ядер воздуха. Бомбардировка α-частицами химически чистого азота показала, что на экране с покрытием из серного цинка сцинтилляции наблюдаются на расстоянии 28 см от источника α-частиц, тогда как средний пробег их в воздухе при нормальном давлении равен 6,87 см.

Другой вид вспышек на экране и дополнительные исследования в магнитном поле показали, что сцинтилляции на удаленном экране образуются протонами, которые возникают вследствие реакции α-частиц и ядер азота. Реакцию легко было записать на основе законов сохранения массы и зарядов:

${}_{7}^{14}N+{}_{2}^{4}He={}_{1}^{1}H+{}_{8}^{17}O$

Окончательно эта реакция была подтверждена в 1925 г., когда получили ее фотографии в камере Вильсона, заполненной азотом. На фотоснимке (рис. 1) трек α-частицы после реакции раздваивался на толстый трек кислорода и тонкий трек протона.

В следующих опытах с помощью α-частиц, полученных из радиоактивных веществ, удалось перестроить ядра всех легких элементов от бора до калия, за исключением углерода и кислорода. Перестройка же тяжелых ядер с помощью α-частиц оказалась невозможной из-за значительных электростатические сил отталкивания ядер.

Характеристика ядерных реакций

Вблизи тяжелых ядер на α-частицу, масса которой равна 6,6·10-27 кг, действует сила отталкивания около 1000 Н. Благодаря этим силам ядро атома окружено неким потенциальным барьером Пя.

Барьер проходит на расстоянии примерно 10-15 м от ядра на грани областей действия кулоновских и ядерных сил. Для α-частицы его можно определить по формуле

${{\Pi }_{}}=\frac{2eZe}{4\pi {{\varepsilon }_{0}}{{r}_{}}},$

где $2е$ - заряд α-частицы; $Ze$ - заряд ядра; $r_я$ - его радиус.

Например, потенциальный барьер ядра урана для α-частицы равен 8,7 МэВ. Поэтому даже самые быстрые α-частицы, излучаемые RaC, с энергией 7,68 МэВ не могут достичь ядра урана.

Чтобы достичь ядра, частица должна иметь энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера ядра.

Недостаточность α-частиц для ядерных реакций заключалась не только в слишком малой их энергии, но и в слабой интенсивности α-пучков и очень малой вероятности попадания в ядро. Ведь ядро занимает ничтожную долю объема атома. Поэтому для получения фотографии ядерного превращения азота нужно было сфотографировать около 100 тыс. треков α-частиц.

Интенсивность взаимодействия различных частиц с ядрами характеризуют эффективным сечением $δ$. Физическую суть этой величины можно понять из такой зависимости. Количество частиц Ν, вступающих в реакцию, пропорциональна числу всех падающих частиц N0, их среднему пути х, на котором происходят реакции, а также количеству ядер n в единице объема вещества, являющемся мишенью:

$N=\delta {{N}_{0}}xn$

Здесь $δ$ - коэффициент пропорциональности, который называют эффективным сечением реакции. Он зависит от размеров ядер мишени, скорости и природы бомбардирующих частиц и типа ядерной реакции, $δ$ имеет размерность площади, приходящейся на одну частицу. Эффективное сечение в СИ выражается в квадратных метрах. Ранее применяемая единица барн равна 10-28 м2.

Не знаете, сколько стоит статья по физике на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!

Тест по теме «Ядерные реакции»