Введение

Трансформация одного нуклида в другой

В ядерной физике и ядерной химии ядерная реакция – это процесс, в котором сталкиваются два ядра или ядро и внешняя субатомная частица, в результате чего образуются один или несколько новых нуклидов. Таким образом, ядерная реакция должна приводить к трансформации как минимум одного нуклида в другой. Если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей, а затем они разделяются, не изменяя природу ни одного нуклида, то процесс называется просто типом ядерного рассеяния, а не ядерной реакцией. В принципе, в реакции может участвовать более двух частиц, но вероятность одновременной встречи трех или более ядер в одном и том же месте значительно ниже, чем для двух ядер, поэтому такое событие крайне редко (см. тройной альфа-процесс как пример, близкий к ядерной реакции с участием трех тел). Термин "ядерная реакция" может относиться как к изменению нуклида, вызванному столкновением с другой частицей, так и к спонтанному изменению нуклида без столкновения. Природные ядерные реакции происходят при взаимодействии космических лучей с веществом, а ядерные реакции могут быть искусственно использованы для получения ядерной энергии с регулируемой скоростью по требованию. Ядерные цепные реакции в делящихся материалах приводят к индуцированному ядерному делению. Различные реакции ядерного синтеза легких элементов обеспечивают выработку энергии Солнцем и звездами.

История

В 1919 году Эрнесту Резерфорду удалось осуществить трансмутацию азота в кислород в Манчестерском университете, используя альфа-частицы, направленные на азот: 14N + α → 17O + p. Это было первое наблюдение вызванной ядерной реакции, то есть реакции, в которой частицы используются для преобразования другого атомного ядра. Впоследствии, в 1932 году в Кембриджском университете коллеги Резерфорда, Джон Коккрофт и Эрнест Уолтон, достигли полностью искусственной ядерной реакции и ядерной трансмутации, используя искусственно ускоренные протоны, направленные на литий-7, для расщепления ядра на две альфа-частицы. Этот успех получил широкую известность как "расщепление атома", хотя это не было современной реакцией ядерного деления, открытой позднее (в 1938 году) в тяжелых элементах немецкими учеными Отто Ганом, Лизе Майтнер и Фрицем Штрассманом.

Скорость реакции

Если уравнение реакции сбалансировано, это не означает, что реакция фактически протекает. Скорость протекания реакций зависит от энергии и потока падающих частиц, а также от сечения реакции. Примером обширного хранилища данных о скоростях реакций является база данных REACLIB, поддерживаемая Объединенным институтом ядерной астрофизики.

Примечательные типы

Хотя количество возможных ядерных реакций огромно, существует несколько типов, которые встречаются чаще или иным образом примечательны. Некоторые примеры включают: реакции синтеза – два легких ядра объединяются, образуя более тяжелое, с последующим испусканием дополнительных частиц (обычно протонов или нейтронов). Спалляция – ядро подвергается воздействию частицы с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько небольших фрагментов или раздробить его на множество фрагментов. Индуцированное гамма-излучение относится к классу реакций, в которых только фотоны участвуют в создании и разрушении состояний ядерного возбуждения. Реакции деления – очень тяжелое ядро, после поглощения дополнительных легких частиц (обычно нейтронов), расщепляется на две или иногда три части. Это является вызванной ядерной реакцией. Спонтанное деление, происходящее без участия нейтрона, обычно не рассматривается как ядерная реакция. В лучшем случае, это не вызванная ядерная реакция.

Прямые реакции

Промежуточный по энергии снаряд передает энергию ядру или захватывает/теряет нуклоны в ходе единичного быстрого (10−21 секунды) события. Передача энергии и импульса относительно невелика. Это особенно полезно в экспериментальной ядерной физике, поскольку механизмы реакции зачастую достаточно просты для расчета с достаточной точностью, чтобы исследовать структуру ядра-мишени.

Неэластичное рассеивание

Передаются только энергия и импульс. Эксперименты (p,p') выявляют различия между ядерными состояниями. Эксперименты (α,α') измеряют форму и размеры ядерной поверхности. Поскольку альфа-частицы, сталкиваясь с ядром, реагируют более интенсивно, упругое и малые по энергии неупругое рассеяние альфа-частиц чувствительны к форме и размерам исследуемого ядра, подобно тому, как свет рассеивается от небольшого черного объекта. Эксперименты (e,e') полезны для зондирования внутренней структуры. Поскольку электроны взаимодействуют слабее, чем протоны и нейтроны, они достигают центра ядра, а их волновые функции меньше искажаются при прохождении сквозь него.

Реакции переноса нуклеонов

Обычно при умеренно низкой энергии между снарядом и мишенью происходит перенос одного или нескольких нуклонов. Это полезно для изучения структуры внешних оболочек ядер. Реакции переноса могут протекать от снаряда к мишени – реакции отщепления, или от мишени к снаряду – реакции присоединения. (α,n) и (α,p) реакции. Некоторые из первых изученных ядерных реакций включали альфа-частицу, образовавшуюся при альфа-распаде, которая выбивала нуклон из ядра-мишени. (d,n) и (d,p) реакции. Пучок дейтронов направляется на мишень, при этом ядра мишени поглощают либо нейтрон, либо протон из дейтрона. Дейтрон настолько слабо связан, что это практически эквивалентно захвату протона или нейтрона. Может образоваться составное ядро, что приводит к более медленному испусканию дополнительных нейтронов. (d,n) реакции используются для генерации энергичных нейтронов. Реакция обмена странностью (K, π) применялась для изучения гиперядер. Реакция 14N(α,p)17O, проведенная Резерфордом в 1917 году (опубликована в 1919 году), общепризнанно считается первым экспериментом по ядерной трансмутации.

Соединенные ядерные реакции

Либо низкоэнергетический снаряд поглощается, либо более высокоэнергетическая частица передает энергию ядру, оставляя его с избыточной энергией, недостаточной для удержания его в связанном состоянии. В масштабе времени около 10−19 секунд частицы, как правило нейтроны, "выкипают" – то есть ядро удерживается до тех пор, пока в одном нейтроне не сконцентрируется достаточно энергии для преодоления взаимного притяжения. Возбужденное квазисвязанное ядро называется составным ядром. Реакции низких энергий (e, e' xn), (γ, xn) (где xn обозначает один или несколько нейтронов), при которых энергия гамма-кванта или виртуального гамма-кванта близка к энергии гигантского дипольного резонанса, повышают требования к радиационной защите электронных ускорителей.