Ядерные реакции

Итак, в предыдущей статье мы выяснили, что некоторые ядра могут самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов. В 1910 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов бомбардировкой α-частицами атомов азота:

\(_{~~7}^{14}\)N + \(_{2}^{4}\)He → \(_{~~8}^{17}\)O + \(_{1}^{1}\)p

Символ \(_{1}^{1}\)p обозначает протон, т. е. ядро атома водорода (\(_{1}^{1}\)H). Заметим, что в принятой записи ядерных реакций (как естественных, так и искусственных) сумма массовых чисел (т. е. сумма верхних индексов) реагирующих частиц всегда равна сумме массовых чисел продуктов реакции. То же относится и к зарядам ядер (к нижним индексам).

Обстреливая α-частицами разные ядра, удалось осуществить много ядерных реакций. Еще более разнообразные ядерные реакции удалось исследовать с помощью ускорителей, где заряженные частицы (к примеру, протоны, нейтроны, ядра различных элементов) разгоняются до больших скоростей и затем направляются на мишень. Среди всех ядерных реакций, пожалуй, самое важное место занимают реакции, вызываемые захватом нейтронов. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах.

Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами:

\(_{11}^{23}\)Na + \(_{0}^{1}\)n → \(_{11}^{24}\)Na + γ

\(_{27}^{50}\)Co + \(_{0}^{1}\)n → \(_{27}^{66}\)Co + γ

Подобные реакции широко применяются для получения новых изотопов, хотя отделить, скажем, 25Na от 24Na нелегко.

\(_{17}^{35}\)Cl + \(_{0}^{1}\)n → \(_{16}^{35}\)S + \(_{1}^{1}\)p

\(_{13}^{27}\)Al + \(_{0}^{1}\)n → \(_{11}^{24}\)Na + \(_{2}^{4}\)He

Большой научный и практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер \(_{~~92}^{235}\)U. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами, равными приблизительно половине массового числа делящегося урана:

\(_{~~92}^{235}\)U + \(_{0}^{1}\)n → \(_{~~92}^{236}\)U → смесь изотопов (\(_{36}^{92}\)Kr, \(_{~~56}^{141}\)Ba и др.) + 2 : 3 \(_{0}^{1}\)n + 200 МэВ/1 ядро.

Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Ядра изотопа \(_{~~92}^{235}\)U могут захватывать нейтроны с небольшой энергией (5-10 эВ1, так называемые тепловые нейтроны), а нейтроны, образующиеся при делении ядра \(_{~~92}^{236}\)U, обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, последние надо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана - выделившиеся нейтроны после замедления будут захватываться другими ядрами \(_{~~92}^{235}\)U и т. д. В 1940 г. советские физики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон создали теорию цепной реакции деления.

В природном уране цепная реакция возникнуть не может, так как такой уран в основном состоит из двух изотопов: \(_{~~92}^{238}\)U (99,3%) и \(_{~~92}^{235}\)U (0,7%), причем первый из них захватывает нейтроны в основном без последующего деления. Осуществить цепную реакцию сумели как в виде взрыва (в атомной бомбе), так и в виде регулируемого процесса (в ядерном реакторе).

Читать далее