Ядерные реакции

Процессы искусственного превращения атомных ядер, протекающие при бомбардировке более тяжелых ядер, входящих в состав мишени, пучками элементарных частиц или более легких ядер.

Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Э. Резерфордом. Он бомбардировал азот α-частицами, образующимися при α-распаде естественных радиоактивных элементов. В итоге из ядер азота выбивались протоны, а сами ядра азота превращались в ядра кислорода.

В приведенной реакции участвовало, таким образом, четыре частицы: ядро азота ¹⁴₇N, бомбардирующая α-частица (⁴₂Не), ядро кислорода ¹⁷₈O и протон р(¹₁Н). Уравнение этой реакции можно записать так, как обычно записываются уравнения бимолекулярных реакций в химии:

В 1935 г. немецкий физик Г. Боте предложил сокращенную запись: А(х, у)В. В соответствии с ней, реакция Резерфорда может быть изображена так:

С течением времени арсенал бомбардирующих частиц существенно расширился. Сначала на вооружение физиков поступил нейтрон, затем - протон (р)и дейтрон (d) - ядро дейтерия (изотопа водорода).

Важнейшую роль в осуществлении ядерных реакций сыграли ускорители заряженных частиц. Они позволяют получать пучки частиц с очень высокой энергией (несравненно большей, чем у α-частиц естественного происхождения). Это помогло провести множество разнообразных ядерных реакций. Совершенствование ускорительной техники позволило в конце 50-х гг. использовать в качестве бомбардирующих частиц ускоренные тяжелые ионы многих химических элементов периодической системы (В, С, N, О, Ne, Аr). Хотя эти элементы и не относятся к тяжелым, тяжелыми ионами в ядерной физике считаются ионы и ядра всех элементов, кроме водорода и гелия. В реакциях с тяжелыми ионами были впервые получены трансурановые элементы, начиная со 102-го, а также многие изотопы предыдущих трансурановых элементов.

Как выяснилось, не все ядерные реакции протекают по типу А(х,у)В. Так, иногда, наряду с образованием нового ядра вылетает несколько одинаковых или различных частиц, т.е. у имеет различную природу. Например, при делении ядер вылетает несколько нейтронов и образуется два различных продукта В. Поэтому была предложена более сложная запись ядерной реакции:

В этой записи разобраться просто. {Z,A} - это бомбардируемое ядро с зарядом Z и массовым числом А; х - бомбардирующая частица (или ускоренный ион); у -вылетающая частица (или частицы); Z_x и Z_y - заряды частиц х и у, а А_x и А_y - их массы.

Ядерные реакции играют огромную роль в астрофизике: все химические элементы образовались в результате сложнейшего комплекса ядерных реакций, протекающих в звездах. Но и на Земле от этих реакций зависит многое: ядерные реакции деления урана и плутония под действием нейтронов - основа атомной энергетики.