Открытые Глоккером и Гессом проникающие излучения идут сверху, обладают энергией, зарождение которой на Земле по ее мощности невероятно... они непрерывно проникают и охватывают вещество биосферы (очевидно, производят в нем еще неизвестные нам, вероятно, величайшего значения изменения).

В.И. Вернадский

7.1. ПОНЯТИЕ О ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ

Ядерной реакцией называется процесс, начинающийся столкновением двух микрочастиц и идущий с участием сильных взаимодействий. В узком смысле это процесс, происходящий в результате столкновения простой или сложной микрочастицы с ядром. В этих условиях ядро называют ядром-мишенью. Запись ядерной реакции аналогична записи химической реакции. Общий вид ядерной реакции:

а₁ + a₂ → b₁ + b₂ + ... b_i,

где a₁, a₂ - частицы, вступающие в реакцию; b₁, b₂, ... , b_i - частицы, возникающие в результате ядерной реакции.

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке азота воздуха альфα-частицами:

14

7

N +

4

2

He →

17

8

O +

1

1

H.

Часто пользуются сокращенной записью: ¹⁴N (α, р) ¹⁷O, где в скобках через запятую даются бомбардирующие и образующиеся частицы, а за скобками - ядро-мишень (слева) и ядро-продукт (справа).

В физике ядерных реакций важное значение имеют законы сохранения: электрического заряда, энергии и импульса, момента количества движения и др.

157

Количественной характеристикой элементарного акта столкновения является эффективное сечение ядерной реакции, которое не зависит ни от потока налетающих частиц, ни от числа частиц мишени. Физический смысл эффективного сечения - площадь поперечного сечения эффективного объема вокруг мишени, при попадании в который бомбардирующая частица должна вызвать ядерную реакцию. Единица эффективного сечения σ - барн (б): 1 б = 1 · 10^-24 см² на ядро. Величина эффективного сечения зависит от типа бомбардирующей частицы, ее энергии, свойств мишени. В качестве примера в табл. 7.1 приведены эффективные сечения для реакций (n, γ) на тепловых (Е_n = 0,025 эВ) нейтронах. Так, если для кислорода вероятность возникновения реакции описывается величиной 0,2 · 10^-3 б, то для ¹¹³Cd она равна 19 500 б.

Таблица 7.1

Величины эффективных сечений реакций поглощения (n, γ)
и рассеяния (n, n) тепловых нейтронов
(Баранов, Титаева, 1973)

Элемент	Поглощение	Рассеяние		Элемент	Поглощение	Рассеяние
Н	0,33	81,4		Са	0,43	3,2
Li	70,0	1,2		Мn	12,6	2,0
Be	10-2	-		V	4,98	-
В	753,0	4,4		Fe	2,43	11,8
С	4,5 · 10-3	-		Со	37,0	-
N	1,78	11,4		Ag	63	-
О	2 · 10-4	4,24		Cd	2 450	-
F	10-2	-		In	190	-
Na	0,49	3,6		Sm	6 500	-
Mg	0,06	3,7		Eu	4 500	-
Al	0,21	1,5		Gd	44 000	-
Si	0,13	2,4		Dy	1 100	-
P	0,19	3,4		Hg	380	-
S	0,49	1,2		Au	98,8	-
Cl	31,6	15,0		Pb	0,17	11,4
К	1,97	2,0		Cu	3,77	-

Ядерные реакции классифицируют в зависимости от типа бомбардирующих частиц на реакции под действием нейтронов, заряженных частиц и гамма-фотонов (фотоядерные реакции).

В зависимости от энергии воздействующих на ядро частиц различают ядерные реакции при малых, средних и высоких энергиях. Реакции при малых энергиях (примерно до нескольких электрон-вольт) происходят в основном при участии нейтронов. Реакции под действием заряженных частиц в этом случае возникнуть не могут, так как в отличие от нейтронов подобные частицы должны преодолеть сильное электрическое поле атома

158

(кулоновский барьер). Реакции при средних энергиях (до нескольких МэВ) и высоких энергиях могут быть вызваны нейтронами, заряженными частицами и фотонами.

Характер продуктов реакции определяется полным количеством энергии, приобретенной ядром, и природой ядра-мишени. Если энергия, полученная ядром при бомбардировке, недостаточна для испускания нуклона, то часть этой энергии (или вся энергия) будет отдана ядром в виде γ-излучения. Такие реакции называются радиационным захватом и часто возникают под действием нейтронов малых энергий (n, γ). При средних энергиях могут испускаться нейтроны, протоны, α-частицы, дейтроны, иногда некоторые другие частицы. Испускание нейтронов при сравнительно небольших энергиях реакции - наиболее вероятный процесс, так как для нейтронов не существует кулоновского барьера. Это в особенности относится к тяжелым ядрам, где барьер наиболее высок. Для легких ядер, кулоновский барьер которых сравнительно мал, возможно также испускание α-частиц и протонов. Другие частицы испускаются ядрами при более высоких энергиях. Таким образом, в зависимости от энергии бомбардирующих частиц реакция может идти несколькими конкурирующими путями. Примером может служить бомбардировка фтора нейтронами:

19 9 F + 1 0 n →		20 9 F + γ	при энергии нейтрона	1,5 МэВ,
		19 8 O + 1 1 p	≪ ≪ ≪	4 - 10 МэВ,
		18 9 F + 2 1 0 n	≪ ≪ ≪	10 - 20 МэВ,
		15 8 O + 1 1 p + 4 1 0 n	≪ ≪ ≪	20 - 40 МэВ.

При бомбардировке тяжелых ядер нейтронами может происходить деление ядер. Образуется два ядра-осколка неравной величины и несколько нейтронов. Как правило, продукты деления являются радиоактивными изотопами элементов средней части таблицы Менделеева.

159