Кіріспе
Ядролық физика мен ядролық химияда ядролық реакция – екі ядроның немесе ядро мен сыртқы субатомдық бөлшектің соқтығысып, бір немесе бірнеше жаңа нуклидтерді құруы. Ядролық реакция кем дегенде бір нуклидтің басқа нуклидке айналуына себеп болуы тиіс. Егер ядро басқа ядромен немесе бөлшекпен өзара әрекеттесіп, ешқандай нуклидтің сипатын өзгертпей бөлініп кетсе, онда бұл процесс ядролық реакция емес, ядролық шашырау түрі деп аталады. Теориялық тұрғыдан алғанда, реакция екіден астам бөлшектің соқтығысуын қамтуы мүмкін, бірақ үш немесе одан да көп ядроның бір уақытта бір жерде кездесу ықтималдығы екі ядроға қарағанда әлдеқайда төмен болғандықтан, мұндай оқиға өте сирек кездеседі (үш денелік ядролық реакцияға жақын мысал үшін үш альфа процесін қараңыз). "Ядролық реакция" термині нуклидтің басқа бөлшектермен соқтығысу арқылы болатын өзгерісіне немесе соқтығысусыз нуклидтің спонтанды түрде өзгеруіне қатысты қолданылуы мүмкін. Табиғи ядролық реакциялар ғарыш сәулелері мен материяның өзара әрекеттесуінде жүзеге асады, ал ядролық реакциялар қажеттілікке қарай реттелетін жылдамдықпен ядролық энергияны алу үшін жасанды түрде қолданылуы мүмкін. Бөлінуге қабілетті материалдардағы ядролық тізбекті реакциялар индуцирленген ядролық бөлінуді тудырады. Жеңіл элементтердің әртүрлі ядролық синтез реакциялары Күн мен жұлдыздардың энергиясын өндіруге мүмкіндік береді.
In nuclear physics and nuclear chemistry, a nuclear reaction is a process in which two nuclei, or a nucleus and an external subatomic particle, collide to produce one or more new nuclides. Thus, a nuclear reaction must cause a transformation of at least one nuclide to another. If a nucleus interacts with another nucleus or particle and they then separate without changing the nature of any nuclide, the process is simply referred to as a type of nuclear scattering, rather than a nuclear reaction. In principle, a reaction can involve more than two particles colliding, but because the probability of three or more nuclei to meet at the same time at the same place is much less than for two nuclei, such an event is exceptionally rare (see triple alpha process for an example very close to a three body nuclear reaction). The term "nuclear reaction" may refer either to a change in a nuclide induced by collision with another particle or to a spontaneous change of a nuclide without collision. Natural nuclear reactions occur in the interaction between cosmic rays and matter, and nuclear reactions can be employed artificially to obtain nuclear energy, at an adjustable rate, on demand. Nuclear chain reactions in fissionable materials produce induced nuclear fission. Various nuclear fusion reactions of light elements power the energy production of the Sun and stars.
Тарих
1919 жылы Эрнест Резерфорд Манчестер университетінде азотты оттегіге түрлендіруге қол жеткізді. Бұл 14N + α → 17O + p теңдеуі бойынша азотқа бағытталған альфа бөлшектерін пайдалану арқылы жасалды. Бұл – туындаған ядролық реакцияның, яғни бір ядроның ыдырауынан пайда болған бөлшектердің басқа атом ядросын өзгерту үшін қолданылуының алғашқы байқалуы болды. Соңында, 1932 жылы Кембридж университетінде Рутерфордтың әріптестері Джон Коккрофт пен Эрнест Уолтон толыққанды жасанды ядролық реакция мен ядролық трансмутацияға қол жеткізді. Олар литий-7 ядросын екі альфа бөлшегіне бөлу үшін жасанды түрде үдетілген протондарды пайдаланды. Бұл жетістік халық арасында «атомды бөлу» деп белгілі болды, бірақ ол 1938 жылы неміс ғалымдары Отто Хан, Лиза Майтнер және Фриц Страссманның ауыр элементтерде ашқан қазіргі заманғы ядролық бөліну реакциясы емес еді.
Реакция деңгейі
Егер реакция теңдеуі теңдестірілген болса, бұл реакциянің іс жүзінде жүретінін білдірмейді. Реакциялардың жылдамдығы түсетін бөлшектердің энергиясы мен ағынына, сондай-ақ реакцияның қимасына байланысты. Реакция жылдамдықтарының ірі қоймасының мысалы – Ядролық астрофизика жөніндегі бірлескен институт сақтайтын REACLIB деректер базасы.
Белгілі түрлері
Мүмкін ядролық реакциялардың саны өте көп болғанымен, жиі кездесетін немесе ерекше маңызға ие бірнеше түрі бар. Мысалдардың кейбірелері: ядролық синтез – екі жеңіл ядро бірігіп, ауыр ядроны құрайды, содан кейін қосымша бөлшектер (әдетте протон немесе нейтрон) шығарылады. Спалляция – ядроға жеткілікті энергиясы мен импульсі бар бөлшек соқтығысып, одан бірнеше кішкентай сынықтарды бөліп шығарады немесе оны көптеген сынықтарға айналдырады. Индукцияланған гамма-сәулелену – бұл фотондар ғана ядролық қозу күйлерін тудыруға және жоюға қатысатын классқа жатады. Ядролық бөліну реакциялары – өте ауыр ядро қосымша жеңіл бөлшектерді (әдетте нейтрондарды) сіңіргеннен кейін екі, кейде үш бөлікке бөлінеді. Бұл – индукцияланған ядролық реакция. Нейтронның қатысуынсыз өзінен-өзі жүзеге асатын бөліну әдетте ядролық реакция деп есептелмейді. Ең болмағанда, бұл индукцияланған ядролық реакция емес.
Fusion reactions – two light nuclei join to form a heavier one, with additional particles (usually protons or neutrons) emitted subsequently. Spallation – a nucleus is hit by a particle with sufficient energy and momentum to knock out several small fragments or smash it into many fragments. Induced gamma emission belongs to a class in which only photons were involved in creating and destroying states of nuclear excitation. Fission reactions – a very heavy nucleus, after absorbing additional light particles (usually neutrons), splits into two or sometimes three pieces. This is an induced nuclear reaction. Spontaneous fission, which occurs without assistance of a neutron, is usually not considered a nuclear reaction. At most, it is not an induced nuclear reaction.
Тікелей реакциялар
Аралық энергиялы бөлшектің кинетикалық энергиясы ядроға бір жылдам (10−21 секундтық) оқиғада беріледі немесе ядро нуклондарды қосып алады немесе жоғалтады. Энергия мен импульс алмасуы салыстырмалы түрде шағын. Бұл, әсіресе тәжірибелік ядролық физикада пайдалы, себебі реакция механизмдері көбінесе мақсатты ядроның құрылымын зерттеу үшін жеткілікті дәлдікпен есептеуге мүмкіндік беретіндей қарапайым болады.
Инеластикалық шашырау
Тек энергия мен импульс беріледі. (p,p') ядролық күйлер арасындағы айырмашылықтарды анықтайды. (α,α') ядролық беткейдің пішіні мен мөлшерін өлшейді. α бөлшектері ядроға тиген кезде күштірек реакцияға түсетіндіктен, серпімді және аз серпімді α шашырауы нысаналардың пішіні мен мөлшеріне сезімтал, кішкентай қара нысаннан шашыраған жарық сияқты. (e,e') ішкі құрылымды зерттеуге көмектеседі. Электрондар протондар мен нейтрондарға қарағанда әлсіз өзара әрекеттесетіндіктен, нысананың ортасына дейін жетеді және олардың толқындық функциялары ядро арқылы өте келе аз бұрмаланады.
Нуклеондық трансфер реакциялары
Әдетте орташа төмен энергияда бір немесе бірнеше нуклондар снаряд пен нысана арасында ауыстырылады. Бұл ядролардың сыртқы қабығының құрылымын зерттеуге пайдалы. Ауысу реакциялары снарядтан нысанаға; бөліну реакциялары, немесе нысанадан снарядқа; қосып алу реакциялары болып өтуі мүмкін. (α,n) және (α,p) реакциялары. Алғаш зерттелген ядролық реакциялардың кейбіреулерінде альфа-ыдырау арқылы пайда болған альфа бөлшегі нысана ядросынан нуклонды шығарып тастаған. (d,n) және (d,p) реакциялары. Деутерон шоғы нысанаға түсіріледі; нысана ядролары деутероннан нейтрон немесе протонды сіңіреді. Деутеронның байланысы соншалықты нашар, бұл протон немесе нейтронды ұстауға жақын. Қосымша нейтрондар баяу шығарылатын қосылған ядро пайда болуы мүмкін. (d,n) реакциялары энергетикалық нейтрондарды алу үшін қолданылады. Гиперядроларды зерттеу үшін құпиялылық алмасу реакциясы (K, π) қолданылды. Резерфордтың 1917 жылы жүргізген 14N(α,p)17O реакциясы (есебі 1919 жылы жарияланған) әдетте бірінші ядролық трансмутация эксперименті деп есептеледі.
Құрама ядролық реакциялар
Бұл ядроға төмен энергиялы оқпан сіңіріледі немесе жоғары энергиялы бөлшек ядроға энергияны беріп, оны толық байланысу үшін тым көп энергиямен қалдырады. Шамамен 10−19 секунд ішінде бөлшектер, әдетте нейтрондар, "бұрқылдайды". Яғни, бір нейтронда өзара тартылыстан босатылуға жеткілікті энергия жиналғанға дейін олар бірге ұсталып тұрады. Қозған, жартылай байланысқан ядроға құрама ядро деп аталады. Төмен энергиялы (e, e' xn), (γ, xn) (xn – бір немесе бірнеше нейтронды көрсетеді) процестерінде гамма немесе виртуалды гамма энергиясы алып дипольдік резонансқа жуық болады. Бұл электрон үдеткіштерінің айналасында радиациялық қорғау қажеттілігін күшейтеді.