Глава 7

РАДИОНУКЛИДЫ - ПРОДУКТЫ ПРИРОДНЫХ
ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ








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 + a2b1 + b2 + ... bi,

где a1, a2 - частицы, вступающие в реакцию; b1, b2, ... , bi - 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 (Еn = 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



Купить BlueTooth гарнитуру

Яндекс цитирования Rambler's Top100
Tikva.Ru © 2006. All Rights Reserved