Ядерный синтез

Ядерный синтез

Это такие ядерные реакции, во время которых два или более атомных ядра (и/или нуклона) объединяются или взаимоперестраиваются, формируя новые ядра.

Говоря о ядерном синтезе не следует путать это общее понятие с частным понятием о термоядерной реакции (или термоядерном синтезе) — разновидности ядерного синтеза, при котором легкие атомные ядра за счет кинетической энергии их теплового движения объединяются в более тяжелые ядра.

Ядерные реакции с ускоренными частицами

Широкий размах приобрели исследования процессов перестройки ядер с 1932 г., когда для этой цели стали использовать искусственно ускоренные частицы – протоны, ионы дейтерия, гелия и т.д. и нейтроны.

Для ядерных реакций ускоренные протоны оказались более эффективными, чем $\alpha$-частицы, так как благодаря меньшему заряду и меньшей массе потенциальный барьер ядра для них ниже, а вероятность проникновения в ядро больше. Использование ускоренных протонов в различных лабораториях мира привело к ряду новых ядерных реакций. В частности, были преобразованы ядра лития в ядра гелия, а ядра азота – на ядра углерода и др.

Еще более эффективными в ядерных реакциях оказались нейтроны, для которых потенциальный барьер ядра практически не существует.

Реакции с дейтронами

При бомбардировке ядер частицами, которые сами являются ядрами, эффект реакции существенно зависит от энергии связи ядер-снарядов. Наиболее эффективными из них являются дейтроны (ядра дейтерия), которые имеют очень малую энергию связи нуклонов (около 2 МэВ). Интересно, что когда энергия ускоренного дейтрона чуть больше энергии связи его протона и нейтрона, то есть больше 2 МэВ, протон может отрываться и выбрасываться силами отталкивания ядра-мишени, и только один нейтрон вступает в ядерную реакцию. При значительно большей энергии дейтрон полностью увлекается мишенью, но составное ядро излучает протон или нейтрон.

В первом случае образуется нуклид мишени с высшим массовым числом, например:

${}_{48}^{114}Cd+{}_{1}^{2}H\to {}_{48}^{115}Cd+{}_{1}^{1}H,$

во втором случае реакция происходит по следующей схеме:

${}_{52}^{130}Te+{}_{1}^{2}H\to {}_{53}^{131}I+{}_{0}^{1}n.$

Следует отметить, что в некоторых случаях, особенно когда мишень является элементом с малой атомной массой (например, мишень из бериллия), вероятность излучения нейтронов очень велика, поэтому такие реакции используют в качестве источника нейтронов для экспериментальных целей.
Если энергия дейтрона очень высокая - 10 МэВ и более, то в реакциях с ним составное ядро может излучать два нейтрона и больше, например:

${}_{52}^{130}Te+{}_{1}^{2}H\to {}_{53}^{130}I+2{}_{0}^{1}n$

Реакции с тяжелыми ионами

Еще сложнее проходят ядерные реакции под действием ускоренных более тяжелых ионов. В одних из них наблюдается переход нуклонов от одного ядра к другому, например:

${}_{7}^{14}N+{}_{5}^{10}B\to {}_{7}^{13}N+{}_{5}^{11}B$

В других случаях при более высокой энергии ионов-снарядов (например, ионов азота с энергией 26 МэВ и более) наблюдается излучение нескольких нуклонов и образования различных новых ядер:

${}_{13}^{27}Al+{}_{7}^{14}N\to {}_{1}^{1}H+2{}_{0}^{1}n+{}_{19}^{39}K$

Выше рассмотрены примеры характерных взаимодействий в ядерных реакциях. На сегодня идентифицировано сотни ядерных реакций. Благодаря широкому осуществлению искусственных ядерных реакций были изучены особенности взаимодействия ядер, получено важные сведения о составе ядра и ядерные силы, добыты новые радиоактивные изотопы, в частности изотопы элементов, которые теперь уже не существуют на Земле.

Особенно важным было открытие нейтрона и цепной реакции деления тяжелых ядер.

Реакции с радиационным излучением

Было выяснено, что в процессе такой ядерной реакции в первой стадии осуществляются слияния падающей частицы с ядром и перераспределение энергии между частицами составного ядра. Такое ядро всегда неустойчиво, поскольку оно получает дополнительную энергию. Поэтому во второй стадии ядерной реакции составное ядро излучает одну, а иногда и больше частиц значительной энергии.

Длительность существования составного ядра 10-11 … 10-12 с.

Тяжелые ядра, окруженные значительным потенциальным барьером для положительно заряженных частиц в ядре, чаще всего излучают нейтроны, для которых такой барьер практически не существует. Ядра с малым потенциальным барьером излучают, кроме нейтронов, протонов, дейтроны и $α$-частицы.

Если избыточной энергии составного ядра недостаточно для излучения нуклона, то ядро излучает ее γ-квантами. Такие случаи называют радиационным захватом.

Примером радиационного излучения ядра может быть такая реакция:

${}_{13}^{27}Al+{}_{1}^{1}H\to {}_{14}^{28}N+\gamma$

Наконец, составное ядро подобного радиоактивного элемента может перейти в устойчивое состояние благодаря излучению электрона. Как правило, такие составные ядра имеют сравнительно большее время жизни.

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

Тест по теме «Ядерный синтез»