Ядерная реакция

Другим  примером выдающихся новых результатов, непосредственно связанных с изучением искусственной радиоактивности, развернувшимся во всех странах после открытия Ф. и И. Жолио-Кюри, может служить открытие в СССР в 1935 г. ядерной изомерии искусственно радиоактивных изотопов, принадлежащее И. В. Курча тову с сотрудниками .

Ядерные реакции под действием нейтронов (общие сведения)

Среди многих тысяч ядерных реакций, изученных  к настоящему времени, особое значение как для самой физики, так и для ядерного оружия и ядерной энергети ки имеют реакции, вызываемые нейтронами.

Длительное  время в качестве источников нейтронов использовали запаянные 
ампулы, наполненные смесью бериллия с радием или с каким-либо другим 
альф а- активным изотопом. В таком источнике нейтроны получаются в 
результате бомбардировки ядер бериллия альфа-частицами. Энергии 
нейтронов, вылетающих из бериллия, достигают 10 — 1 1 Мэв. 

8

_С появлением  ускорителей возможности получения  нейтронов существенно расширились. Нейтроны могут испускаться легкими и средними по массе ядрами при бомбардировке их протонами. Удобным источником нейтронов является литий (31л⁷). Как известно из вышеизложенного, при бомбардировке этого лития протонами с энергией 0,8 Мэв в результате ядерной реакции получаются две альфа-частицы. А вот если энергия протона будет равна или больше 1,86 Мэв, то, попадая в ядро лития, он вызывает реакцию с выходом нейтрона (о п¹):

Эта реакция  позволяет получать мощные потоки нейтронов  с энергией до 30

Мэе.

Широкое применение получила реакция взаимодействия дейтронов

Если  энергию протонов 'изменить, то соответственно изменяется 'и энергия испускаемых нейтронов. Таким образом, эта реакция может служить источником моноэнергетических нейтронов с наперед заданной энергией. Литий может служить источником нейтронов и при бомбардировке его дейтронами (ядрами тяжелого водорода Ш²), ускоренными с помощью циклотрона:

дающая  большой выход нейтронов. Эта  реакция хорошо идет даже с дейтронами небольших энергий.

Нейтроны  могут быть получены также путем  облучения ряда элементов гамма-фотонами.

Мощным  источником нейтронов являются ядерные реакторы, с которыми читатель познакомится ниже.

Ядерные реакции под действием нейтронов  протекают обычно более эффективно, чем под действием заряженных частиц. Это объясняется тем, что нейтроны не

обладают  электрическим зарядом и потому не испытывают отталкивания со стороны положительно заряженных ядер. Поэтому нейтроны любых энергий, как быстрые, так и самые медленные, могут свободно приблизиться к ядру. Нейтроны могут отражаться (отскакивать) от поверхности ядра, но могут также и проникать внутрь ядра и поглощаться (захватываться) им.

Захват  нейтрона ядром может быть тотчас же обнаружен и зарегистрирован. Мы знаем, что поглощение нейтрона ядром не изменяет атомного номера *и ведет к образованию более тяжелого изотопа того же химического элемента. Так, ядро обычного натрия (Ш²³), захватив нейтрон, становится

9

*)А

радиоактивным ядром (Nа ), которое распадается, испуская электрон. Этот электрон, свидетельствующий о захвате нейтрона ядром, легко регистрируется. В иных случаях испускаются другие заряженные частицы. Таким образом, захват нейтрона ядром может быть зафиксирован по радиоактив ному излучению, сопровождающему его.

Выше  мы уже упоминали о поразительном  явлении, которое впервые наблюдал Э. Ферми. Оказалось, что медленные, гак называемые тепловые нейтроны охотнее захватываются (поглощаются) ядрами атомов, чем быстрые. Благодаря этому тепловые нейтроны в большинстве случаев легче (чаще) вызывают ядерные реакции, чем быстрые. Заметим, что тепловыми нейтронами называют нейтроны, скорости которых такие же, как у молекул при комнатной температуре (2-^-3 км/сек). Тепловые нейтроны обладают энергией порядка 0,03 эе.

Причиной  повышенной эффективности тепловых нейтронов при взаимодействии с ядром является то, что нейтрон обладает волновыми свойствами. Нейтрон в явлениях атомного масштаба ведет себя, как волна. Нейтрону, как и любой другой движущейся частице вещества, сопутствуют волны де Бройля, длина которых обратно пропорциональна скорости частицы. Чем меньше скорость (а значит, и энергия), тем больше длина волны. У быстрых нейтронов с энергией 1 Мэв длина волны порядка Ю-¹² см; у тепловых нейтронов она больше и имеет величину порядка 1,5-10-⁸ см. Выше мы уже¹ говорили о том, что длина волны ядерной частицы определяет ее эффективный размер. Поэтому, когда быстрый нейтрон замедляется и становится тепловым, длина его волны увеличивается, и он как бы становится больше. Естественно, поэтому, что такой нейтрон, размеры которого больше размеров ядра, имеет больше шансов столкнуться с ядром и быть им поглощенным.

Проникая  в ядро и попадая тем самым  в сферу действия огромных ядерных  сил, нейтрон приходит в очень быстрое движение с чрезвычайно высокой энергией до 50 Мэв, чему соответствует очень малая длина волны де Бройля (менее 1 ферма, равного, как известно, 10~¹³ см). Размеры нейтрона при такой большой энергии, как видим, малы, и он может свободно размещаться внутри ядра. Напомним, что радиус атомного ядра, равный радиусу действия ядерных сил, составляет 1,4 ферма.

В ряде случаев захват ядром медленных  нейтронов сопровождается испусканием относительно тяжелых (по сравнению с электроном) заряженных частиц. Так, например, при захвате нейтрона ядром лития-6 (31л ) образуются ядра трития (1Т ) и быстродвижущиеся альфа-частицы (2Не ⁴):

Эта реакция  имеет большое практическое значение, так как используется для производства сверхтяжелого изотопа водорода—трития, необходимого для термоядер ных реакций.

Испускание  альфа-частиц сопровождает захват ней       тронов ядрами бора (5В     ¹⁰):

₅B²⁰ + ₀n¹    

Эта реакция  используется для регистрации медленных  нейтронов по ионизации, вызываемой альфа-частицами в газовом счетчике, наполненном газом (трехфтористым бором ВРЗ). Нейтрон сам по себе не вызывает ионизации, но при захвате его ядром бора испускается альфа-частица, по которой и фиксируется нейтрон.

Часто захват медленного нейтрона сопровождается испусканием гамма-фотона. Примером такой реакции является захват нейтрона протоном, т. е. ядром простейшего атома водорода, в результате чего образуется ядро тяжелого изотопа водорода— дейтрон ( Ш ²):

 
 
Нейтроны, получаемые при помощи радиоактивных  источников, ускорителей или ядерных реакторов, обладают довольно большой энергией, измеряемой миллионами электрон-вольт. Для осуществления же многих ядерных реакций нужны менее быстрые и даже совсем медленные (тепловые) нейтроны.

Замедление  нейтронов осуществляется путем  пропускания их через такое вещество, ядра атомов которого не захватывают или слабо захватывают нейтроны; нейтроны должны отскакивать (отражаться) от поверхности таких ядер и внутрь их не проникать.

При столкновении с такими ядрами нейтроны будут отдавать 'им часть своей энергии, вследствие чего их собственная энергия, а следовательно, и скорость будут уменьшаться. Вещества, используемые для этой цели, называются замедлителями.

В качестве замедлителя нейтронов применяют  часто тяжелую воду, легкий металл - - бериллий или, наконец, графит. Замедление является результатом упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Нейтроны и ядра замедлителя ведут себя в этих столкновениях, как упругие биллиардные шары. В случае центрального (лобового) удара движущийся биллиардный шар, столкнувшись с неподвижным шаром, останавливается, т. е. замедляется полностью. При косых соударениях, которые чаще имеют место, шары замедляются только частично и после удара не останавливаются, а движутся, но с меньшей скоростью.

Таким образом, движущийся биллиардный шар  всегда замедляется, т. е. всегда теряет часть своей энергии (скорости) при соударениях с неподвижным шаром. Аналогично этому ведут себя и нейтроны. После ряда упругих столкновений с ядрами замедлителя, которые можно считать неподвижными, быстрый нейтрон теряет значительную часть своей энергии (скорости) и становится медленным, скорость его движения сравнивается со скоростью теплового движения частиц окружающей среды. 
 
 

11

В механике доказывается, что при упругом  соударении двух шаров наибольшая потеря энергии будет в случае, когда массы шаров равны. Этот закон применим и к нейтронам с тем только отличием, что шары не могут поглотить друг друга, а с нейтроном при соударении с ядром такое может случиться. Обыкновенная вода, содержащая водород, ядра которого (протоны) имеют массу, приблизительно равную массе нейтрона, была бы наилучшим замедлителем, если бы не поглощала нейтронов. Всего 18 столкновений с протонами требуется в среднем быстрому нейтрону, чтобы стать медленным. К сожалению, протоны, как мы знаем, поглощают часть сталкивающихся с ними нейтронов, образуя ядра тяжелого водорода. Правда, быстрые нейтроны захватываются протонами не так эффективно, как медленные. Поэтому применение обыкновенной воды в качестве замедлителя возможно в тех случаях, когда потеря некоторого числа нейтронов в процессе их замедления несущественна.

Практически лучшим замедлителем является тяжелая  вода, в состав которой 
входит тяжелый водород— дейтерий. Ядра дейтерия (дейтроны) в 2 раза 
тяжелее нейтронов. Поэтому число столкновений с дейтронами, которое 
должен испытать быстрый нейтрон, чтобы скорость его уменьшилась до 
тепловой, составляет в среднем 25, а не 18, как у обычного водорода. 
Некоторое увеличение числа необходимых столкновений с лихвой 
компенсируется тем, что дейтроны совсем не захваты ваюг нейтронов.

Несколько хуже по своим замедляющим свойствам бериллий и графит 
(углерод). Но так как тяжелая вода является сравнительно дорогим 
продуктом, чаще всего в качестве замедлителя применяют хорошо 
очищенный графит—значительно более доступный и дешевый ма териал.

Изучая  воздействие медленных нейтронов  на ядра урана, ученые ряда стран открыли много интересных и на первых порах загадочных явлений. Одним из таких открытий, явившимся, без сомнения, выдающимся достижением физики, было открытие в 1939 г. вызываемого нейтронами деления ядер урана. Как установили немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, после бомбардировки урана нейтронами в нем обнаруживаются ядра атомов элементов, стоящих в середине периодической таблицы Менделеева. Усилиями многих физиков было доказано, что эти новые ядра получаются в результате деления ядра урана, захватившего нейтрон; при этом масса и заряд исходного ядра распределяются (делятся) между новыми ядрами— "осколками" деления. Так был открыт новый класс ядерных реакций, протекающих под действием нейтронов, к рассмотрению которого мы я перейдем.

Деление тяжелых ядер

Во всех ядерных реакциях, изученных до 1939 г., испускаются относительно легкие частицы вещества (электроны, протоны, нейтроны, ядра гелия и т. д.) и  гамма-фотоны, так что атомные номера и массовые числа у продуктов реакции и у ис ходных ядер различаются мало. 
 
 

12

(В реакции  деления, открытой в 1939 г., ядро  урана, захватив нейтрон, распадается на два тяжелых "осколка"; ядро урана как бы делится на две части, за что, собственно, реакция и получила свое название.

Теория  деления тяжелых ядер была разработана в том же году советским физиком Я. И. Френкелем и зарубежными учеными Н. Бором и Д. Уилером на основе "капельной" модели ядра.¹)

В ядре урана, содержащем 92 протона, электрические  силы отталкивания между одноименно заряженными протонами весьма велики и лишь немного усту пают ядерным силам притя жения. Вследствие этого 

 
 

  

 
 

Рис.1

ядра  урана не отличаются большой прочностью (устойчивостью). Поэтому нейтрон, попадающий в такое ядро, легко возбуждает (нагревает) его, делая еще менее устойчивым. В результате ядро деформируется и, теряя свою сферическую форму, вытягивается, как это показано на рис. 1. Поскольку, как мы знаем, ядерные силы действуют лишь на очень коротком расстоянии, постольку электрические силы отталкивания между противоположными половинками растянутой капли превысят ядерное притяжение между ними. От этого ядро-капля станет вытягиваться еще больше, на нем образуется перетяжка (шейка: рис. I), и в конце концов оно разделится под действием электрических сил отталкивания на две части, т. е. на два ядра ("осколка") среднего веса (рис. 1). Делящееся ядро выбрасывает ("испаряет") несколько новых (вторичных) быстрых нейтронов. При этом излучаются также гамма-лучи. Особенно эффективно подобное деление под действием нейтронов происходит с ядрами урана-235. Схема деления ядер это го изотопа урана приведена на рис. 2.