Ядерная реакция

I. Ядерная физика - область физики, занимающаяся изучением структуры и свойств атомных ядер , ядерных превращений и элементарных частиц . Является научной основой ядерной техники , ядерной энергетики , ядерного оружия . Методы ядерной физики широко применяют в биологии , медицине , химии и других.

    Ядерное оружие - оружие массового поражения  взрывного действия , основанное на использовании внутриядерной энергии , выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер - изотопов водорода . В результате выделения огромного количества энергии при взрыве поражающие факторы ядерного оружия существенно отличаются от действия боеприпасов в обычном снаряжении . Основные поражающие факторы ядерного оружия : ударная волна , световое излучение , проникающая радиация , радиоактивное заражение , электромагнитный импульс .

    Впервые ядерное оружие применило США  в 1945 году для ядерных бомбардировок японских городов Хиросимы и Нагасаки . Применение ядерного оружия чревато катастрофическими последствиями для всего человечества , поэтому я решил более подробно ознакомится с физикой ядер.

П.       Что такое ядерная  реакция. Первые исследования ядерных реакций

Ядерные реакции—это превращения  атомных ядер при их взаимодействии между собой и с другими частицами, такими, как нейтроны, протоны, дейтроны, гамма-фотоны, многозарядные ионы и т. п. Под действием другого ядра или бомбардирующей частицы происходит изменение состава и строения исходного ядра, в результате чего в большинстве случаев получается новое ядро (конечное ядро реакции) и обычно еще какая-либо ядерная частица. Самопроизвольные превращения неустойчивых радиоактивных ядер, с которыми мы познакомились выше, не относятся к ядерным реакциям в их современном понимании.

В ядерных  реакциях происходит либо выделение  энергии и соответствующей массы, либо их поглощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реакциях, называют ядерной.

По роду участвующих  в ядерных реакциях бомбардирующих частиц различают:

а) реакции под действием заряженных частиц—         альфа-частиц, протонов и т. д.;

б) реакции под действием нейтронов; в) реакции под действием гамма-фотонов.

Мы знаем, что ядерные силы, связывающие  нуклоны ядра воедино, имеют огромную величину и в миллионы раз превышают силы, удерживающие электроны оболочки атома. Поэтому естественно, что для осуществления ядерных превращений требуются частицы с большой энергией. Единственным источником таких частиц, известным в начале XX столетия, были естественные радиоактивные изотопы, испускающие альфа-частицы. Их-то и использовал в качестве "ядерных снарядов" Э. Резерфорд, осуществивший в 1919 г. первую ядерную реакцию. Резерфорд выбрал для своих опытов быстрые альфа-частицы 
 

4

с энергией 7,7 Мзв, испускаемые изотопом полония-214. В качестве мишени для обстрела были выбраны легкие элементы. Такой выбор объясняется тем, что альфа-частицы (ядра атомов гелия), как и всякие ядра, имеют положительный заряд. При приближении к обстреливаемому ядру, также положительно заряженному, альфа-частица испытывает действие силы электрического отталкивания тем больше, чем больше заряд ядра. Поэтому от тяжелых ядер альфа-частицы естественных радиоактивных изотопов отталкиваются, не проникая внутрь их. В легкие же ядра такие частицы могут проникать.

Первым  веществом-мишенью, с которым Резерфорду удалось осуществить ядерную реакцию, был азот. Под действием альфа-частиц ядра азота превращались в ядра кислорода.

После длительных и напряженных исследований было установлено, что реакция протекает в два этапа еле дующим образом.

1. Альфа-частица (2Не⁴) проникает внутрь ядра азота (7К¹⁴) и поглощается им, 
в результате чего  образуется составное или промежуточное ядро типа

1 9

фтора (9Р ) в возбужденном состоянии, поскольку  энергия альфа-частицы быстро распределяется между нуклонами ядра и как бы "подогревает" его. Проникновение альфа-частицы внутрь ядра азота и слияние с ним занимает по современным представлениям время порядка Ю-²¹ сек (ядерная постоянная времени).

2. Через некоторое время порядка Ю-¹⁴ сек (время жизни составного ядра) 
'составное ядро, испуская (как бы "испаряя") протон ({Н1), превращается в 
устойчивое ядро изотопа кислорода с массовым числом 17 (80 ); большая 
часть избыточной энергии составного ядра уносится протоном.

Вся эта реакция может быть записана следующим образом:

₁₄         1$ г?      *

7N   + ₂Не⁴       «-* (₉Р   )       ^_гО  + ±

Индексы справа вверху означают, как обычно, массовые числа ядер, а цифры внизу—их атомные номера.

Атомный номер указывает число элементарных электрических зарядов в ядре. Согласно закону сохранения электрические заряды не создаются и не исчезают, а только перераспределяются. Поэтому сумма нижних цифр исходных продуктов (7+2=9) должна равняться сумме нижних цифр конечных продуктов реакции (8+1=9). Аналогично этому и суммы массовых чисел левой и правой частей уравнения также должны быть равны между собой (14 + 4 ^: 18 == 17 + 1). Этими правилами следует руководствоваться при написании уравнений ядерных реакций.

Превращение азота в кислород было первым примером искусственного превращения элементов. Резерфорд наблюдал превращения многих других элементов (бор, фтор, натрий, алюминий и др.) при бомбардировке их ядер альфа-частицами.

Таким образом, мечта средневековых алхимиков  о получении золота и других драгоценных металлов из дешевых свинца, ртути и меди стала осуществляться.

5

Физики  XX столетия, изучая свойства атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научились осуществлять подобные превращения. Например, в ядре атома ртути 80 протонов (2 = 80). Можно выбить один из них. Мы получим тогда ядро, содержащее 79 протонов (2=79). Это и будет ядро атома золота. Но только золото, добываемое подобным способом, обходится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ его производства пока не имеет практического применения.

Открытие  нейтрона и искусственной  радиоактивности

Идя по пути, проложенному Резерфордом, и применяя альфа-частицы естественных радиоактивных изотопов для бомбардировки различных веществ, удалось сделать еще два открытия, огромное значение которых невозможно переоценить.

Первым  из этих открытий было открытие нейтрона, принадлежащее ученику 
Резерфорда—английскому физику Д. Чвдвику; вторым открытие

искусственной радиоактивности французскими физиками Фредериком и Ирэн Жолио-Кюри.

История открытия нейтрона такова. В 1930 г. немецкие физики Боте и Беккер обнаружили, что бериллий (4Ве⁹) при бомбардировке его альфа-частицами испускает лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Из последнего следует, что эти лучи не обладают ионизирующим действием и, следовательно, являются электрически нейтральными. Поэтому исследователи предположили, что "бериллиевые лучи", как их тогда называли, представляют собой гамма-лучи очень большой энергии.

Проникающая способность гамма-лучей сильно зависит, как мы знаем, от энергии их фотонов и может служить мерой последней. Произведя измерение проникающей способности "бериллиевых лучей", Боте и Беккер определили энергию их фотонов. Она оказалась равной 7 Мэв.

Фредерик  и Ирэн Жолио-Кюри обнаружили в своих  опытах, что ионизирующее действие "бериллиевых лучей" сильно возрастает, если их пропустить через пластинку парафина, содержащего большое число атомов водорода. Было доказано, что этот эффект обусловлен тем, что "бериллиевые лучи" выбивают из парафина быстрые протоны, которые и производят сильную ионизацию. Из этих опытов можно было также определить энергию фотонов, принимая вслед за Боте и Беккером "бериллиевые лучи" за гамма-лучи. Подсчеты показали, что гамма-фотоны должны обладать энергией в 55 Мэв и более.

Как видим, измерение одной и той же величины, произведенное разными методами, дает совершенно' различные результаты: 7 Мэв и 55 Мэв. Столь противоречивые результаты свидетельствовали об ошибочности исходного предположения, сделанного Боте и Беккером.

Объяснение наблюдаемым фактам дал в 1932 г. Д. Чадвик. Он показал, что все противоречия исчезают, если предположить, что "бериллиевые лучи" представляют собой поток нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона, Эти частицы и были названы нейтронами. Опыты подтвердили эту гипотезу. Было

6

доказано, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами происходит следующая ядерная реакция:

Ц

р\_в -ь Н(

где оп!—символ  нейтрона, заряд которого нуль, а  массовое число равно единице.Открытие искусственной радиоактивности было сделано в результате опытов по бомбардировке альфа-частицами ядер алюминия, магния и бора, которые были проведены в 1933 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Окончательные выводы были опубликованы в январе 1934 г. Ученые обнаружили, что в ряде случаев бомбардируемое вещество дает излучение и после того, как источник альфа-частиц удален. Причем интенсивность этого излучения убывает с течением времени по экспоненциальному закону аналогично тому, как это происходит у естественно радиоактивных изотопов . Так, например, интенсивность излучения алюминия, подвергнутого бомбардировке альфа-частицами, уменьшалась вдвое через каждые 2,18 мин.

В результате исследования было установлено, что  при бомбардировке стабильного изотопа алюминия 13 А1 ²⁷ происходит следующая ядерная реакция:

 
 
Возникающий в результате реакции радиоактивный  изотоп фосфора 15Р³⁰, отсутствующий в природе, распадается в последующее время с испусканием позитрона, пре вращаясь в устойчивый изотоп кремния 1431 :

ЬО о

где 43е°—  символ позитрона, открытого незадолго до опытов Жолио-Кюри в космических лучах.

Период  полураспада фосфора составляет 2,18 мин, максимальная энергия позитронов— около 3,5 Мэв. Жолио-Кюри обнаружили, что бор и магний также образуют радиоактивные изотопы соответственно азота 7К¹³ и кремния 1451²⁷, которые испускают позитроны.

Таким образом, Жолио-Кюри показали, что в  результате бомбардировки альфа-частицами соответствующих мишеней могут возникать радиоактивные изотопы у таких элементов, ядра которых в природных условиях устойчивы (стабильны). Искусственно вызываемая радиоактивность получила название искусственной радиоактивности. Открытие ее было одним из крупнейших событий современного естествознания; оно указало пути искусственного получения радиоактивных изотопов и оказало' огромное влияние на развитие всей науки и техники.

Фундаментальное открытие Ф. и И. Жолио-Кюри нового вида радиоактивности вызвало к жизни  ряд замечательных работ в  разных странах, что привело к  открытию новых ядерных явлений первостепенного значения и к широкому

-

применению искусственной радиоактивности в самых разнообразных областях науки и техники.

В середине 1934 г. в Италии Э. Ферми и его  сотрудники открыли, что эффективными возбудителями искусственной радиоактивности являются нейтроны. Например, при бомбардировке нейтронами стабильного изотопа 'натрия 1Ша²³ возникает радиоактивный изотоп 1Ша²⁴, который в последующем, испуская электрон и гамма-фотон у, превращается в стабильный изотоп магния 12М§ ²⁴. Процесс протекает по следующей схеме:

1.       ЛЬ"*        —  /Л  Т.

г.

 
"71

Поглощение  нейтрона ядром натрия Ка ведет к  образованию более тяжелого 
изотопа Ка²⁴ того же химического элемента. Химические свойства обоих 
изотопов одинаковы, а ядерные свойства существенно различны. Ядро Ка²³ 
стабильно (устойчиво), а ядро Ка²⁴ неустойчиво (радиоактивно) и, имея 
лишний нейтрон, претерпевает бета-распад, испуская электрон и превращаясь 
благодаря этому в устойчивый изотоп магния 12М§ ²⁴.

Ферми установил, что радиоактивные изотопы  образуются в результате бомбардировки нейтронами не только у легких, но и у тяжелых элементов. При этом оказалось, что нейтроны, замедленные до скоростей теплового движения молекул (порядка километра в секунду), охотнее захватываются ядрами и, как следствие этого, эффективнее возбуждают искусственную радиоактивность.

Впоследствии  выяснилось, что радиоактивные изотопы  образуются также при бомбардировке стабильных изотопов быстрыми протонами, дейтронами и другими заряженными частицами.