Сначала реакции проводились использовав излучение, которое возникает в результате природной радиоактивности. Резерфорд в $1919$ году осуществил реакцию, которою можно записать у виде:
Искусственное преобразование ядер, вызванное бомбардировкой $\alpha $ -- частицами, привело к открытию нейтрона. В $1930$ г. В. Боте и Г. Беккер открыли, что при бомбардировке ядер изотопа ${}^9_4{Be}$ $\alpha $ -- частицами возникает излучение большей проницаемой способности, которое считали потоком $\gamma $ -- квантов. При излучении поглощения этого излучение свинцом было установлено, что энергия этого излучения равна около $7$ МэВ. В $1932$ г. Определили, что ионизирующее действие бериллиевого излучения растет, если его пропустить через пластинку парафина, которая содержит много атомов водорода. Излучение выбивает с пластинки протон, пробег которого в воздухе достигает $40$ см, что соответствует энергии в $5$ МэВ. Если предположить что протон получил такую энергию в результате соударения с $\gamma $ -- квантом, то его энергия должна равняться 55 МэВ, что не совпадает со значением энергии поглощения и с расчётами на основании дефекта масс. Дж. Чедвик показал, что все затруднения исчезают, если предположить, что бериллиевое излучение -- это поток нейтральных частиц с массой близкой к массе протона. Тогда реакцию можно записать у виде:
По сколько нейтроны не имеют заряда, то при бомбардировке атомных ядер для них не существует потенциального барьера. По этой причине после открытия нейтроны начали широко использовать при проведении ядерных реакций.
Ядерные реакции под действием нейтронов
Эти реакции самые многочисленные и имеют большое практическое применение. Ряд массивных ядер $({}^{233}_{92}U,\ {}^{235}_{92}U,\ {}^{239}_{94}{Pu})$ претерпевает раздел при захвате медленных нейтронов. Эти ядерные реакции лежат в основе работы ядерных реакторов на медленных нейтронах. Самыми распространенными реакциями является реакция радиационного захвата ($n,\ \gamma $), которые используются как для управления работой реактора с помощью кадмиевых регулировочных стержней, так и для получения в реакторах разных радиоактивных изотопов.
С увеличением энергии нейтронов увеличивается вероятность неупругого рассеяния ($n,\ n$), а при энергиях в несколько МэВ имеют место реакции ($n,\ p$) ($n,\ \alpha $). Такие реакции, как и реакции ядерного захвата, приводят к созданию $\beta $ -- активных ядер. В отличии от ядер ${}^{233}_{92}U,\ {}^{235}_{92}U,\ {}^{239}_{94}{Pu}$ которые испытывают деление под действием медленных нейтронов, ядра ${}^{238}_{92}U$ и ${}^{232}_{90}U$ делятся только под действием быстрых нейтронов, энергия которых достигает нескольких МэВ. На таких реакциях базируется работа реакторов на быстрых нейтронах. При энергии нейтронов в $10-20$ МэВ возможна реакция ($n,2n$), а при энергиях в $20-40$ МэВ -- и реакция ($n,\ 3n$).
Ядерные реакции под действием протонов
В то время как эффективное сечение $\sigma $ ядерных реакций под действием медленных нейтронов достаточно большое и превышает геометрическое сечение ядра, величина $\sigma $ для ядерных реакций под действием протонов малых энергий бесконечно мала и увеличивается с увеличением их энергии. Это объясняется тем, что для протонов существует потенциальный барьер ядра и частица должна преодолеть кулоновское отталкивание. По этой причине, только в случае существования большей собственной энергии протон может подойти близко к ядру и вызвать ядерную реакцию. В случае ядер с малым массовым числом ядерные реакции под действием протонов могут происходить при меньших значениях энергии протонов, поскольку возникает вероятность туннельного эффекта. Под действием протонов возможны ядерные реакции ($p,\ \gamma $), ($p,\ n$) и ($p,\ \alpha $). Реакция ($p,\ \alpha $) под действием протонов была получена в ускорителях в $1932$ г. Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном: ${}^7_3{Li}{\rm (}p,\ \alpha {\rm )}{}^4_2{He}$, реакция : ${}^7_3{Li}{\rm (}p,\gamma {\rm )}{}^8_4{Be}$ часто используется для получения $\gamma $ -- лучей. С помощью реакции ${}^{27}_{13}{Al}{\rm (}\alpha ,n{\rm )}{}^{30}_{15}P$ открыли искусственную радиоактивность.
Ядерные реакции под действием дейтронов
Если большинство ядерных реакций под действием частиц, энергии которых равны несколько эВ происходят с созданием промежуточного сложенного ядра, то для ядерных реакций под действием дейтронов характерными являются так званные прямые реакции без создания сложенных ядер. Эта особенность обусловлена тем, что дейтрон представляет собой относительно слабо связанную и достаточно мощную систему двух нуклонов. Энергия связи становит всего лишь $2,225$ МэВ, а среднее расстояние между нуклонами в дейтроне почти у два раза больше эффективного радиуса действия ядерных сил.
При изучении ядерных реакций под действием дейтронов установлено, что при энергиях дейтрона от $1$ до $8$ МэВ происходят преимущественно реакции $(D,\ p)$. Энергетический порог реакции типа $(D,\ n)$, оказывается высшим, чем порог предыдущего типа реакций, что оставалось непонятным с точки зрения гипотезы строения ядра. Впервые механизм реакции под действием дейтронов объяснили у $1935$ г. Р Оппенгеймер и М. Филлипс. Они предположили, что в случае бомбардировки ядер дейтронами с большей вероятностью происходит захват ядром только одного с нуклонов. При этом второй нуклон пролетает дальше, не поддавшись никакому взаимодействию с ядром. Когда дейтрон сравнительно небольших энергий пролетает на близком расстоянии от ядра, то он попадает в электрическое поле ядра большей напряженности. Это поле с большей силой отталкивает ядро, не действуя на нейтрон. Если нейтрон окажется возле ядра на расстоянии действия ядерных сил, а протон дейтрона будет на сравнительно большем расстоянии, то нейтрон захватывается ядром, а протон отрывается и продолжает движение не проникая в ядро. Таким образом, ядерная реакция с участием дейтрона происходит не внутри ядра, а за его пределами. Такие реакции называют реакциями взрыва.
При энергиях дейтронов более $100$ МэВ основным процессом реакции так же остается реакция взрыва одного с нуклонов. Но кулоновское отталкивание не играет такую роль, как у реакциях с малой энергией дейтронов. Здесь отрыв происходит в результате соударения одного с нуклонов и ядра. В этом случае с одинаковой вероятностью происходит как реакция поглощения протона так и реакция поглощения нейтрона. Реакция отрыва дает возможность получить нейтроны с высокими энергиями. Кроме этого, реакция под действием дейтронов дает возможность исследовать энергетические уровни атома.
Ядерные реакции под действием $\gamma$- квантов.
Такие реакции могут происходить когда энергия $\gamma $ -- квантов больше энергии связи нуклонов в ядре. Они называются фотоядерными реакциями. К ним относят реакции: $\left(гa,\ n\right),\ \left(\gamma ,\ p\right),\ (\gamma ,\ n,\ p)$. Под действием $\gamma $ -- фотонов высоких энергий и частиц, энергия которых выше $100$ МэВ, ядро может «взорваться», распавшись на большое количество осколков. Эти осколки в камере Вильсона или у фотоэмульсиях образуют картинку, которая напоминает звезду. Такой процесс называется созданием «звезд».
Ядерные реакции при высоких энергиях. Ядерные реакции, которые происходят в результате проникновения в ядра частиц с большими энергиями (сотни и более эВ), имеют ряд особенностей. Это обусловлено тем, что энергия, внесенная частицей, может оказаться больше не только энергии отдельного нуклона, но и энергии связи ядра. Поэтому даже после равномерного распределения энергии между нуклонами может оказаться, что энергия каждого нуклона будет больше энергии связи и он может покинуть ядро. В связи с этим, первым этапом взаимодействия частиц высокой энергии с ядром наблюдают вылет нескольких нуклонов с ядра. После этого ядро может находится в достаточно возбужденном состоянии, что приводит к последующему вылету нуклонов подобно испарению молекул нагретой капли жидкости.
При достаточно высоких энергиях бомбардирующих частиц (несколько сотен МэВ) ядро может «взорваться», т.е. произойдет процесс создания «звезды».
Деление тяжелых ядер
Начало изучения деления тяжелых ядер было положено Э. Ферми у $1934$ г. После открытия нейтрона и искусственной радиоактивности он облучил нейтронами почти все элементы периодической системы. Поскольку в результате реакций создавались $\beta $ -- активные ядра, то считалось, что при бомбардировке ядер урана можно получить трансурановые элементы. Было установлено, что в результате проникновения нейтрона в ядро урана последнее делится на два ядерных осколки. Принудительное деление тяжелых ядер под действием нейтронов имеет чрезвычайно важное как теоретическое так и практическое значение. Такую ядерную реакцию можно записать у виде $(n,\ f)$. Предполагается, что деление тяжелых ядер должно обладать следующими свойствами:
-
При делении тяжелого ядра должна выделятся большая энергия. Такой вывод выплывает с того, что удельная энергия связи нуклонов в ядрах конца периодической системы элементов уменьшается. Так, для ядер ${}^{235}_{92}U$ она составляет приблизительно $7,6$ МэВ, а для ядер с массовым числом $100$ -- приблизительно $8,5$ МэВ. Поскольку средняя удельная энергия связи нуклонов у ядре в данном интервале массовых чисел $8,5$ МэВ, то при делении ядра должна выделится энергия $Q=\left(8.5-7.6\right)\cdot 238МэВ\approx 200\ МэВ$.
-
Преимущественная часть энергии деления должна освобождаться у форме кинетической энергии осколков деления ядра $Q_f$. Это выходит с того что осколки, которые создаются в результате деления ядра на две части, должны разлететься под действием кулоновских сил отталкивания своих зарядов. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия ядер двух осколков, которые находятся на расстоянии $r$, определяется как:
\[V_k=\frac{Z_1Z_2e^2}{4\pi {\varepsilon }_0r}\]$Z_1\ и\ Z_2$ -- заряды осколков, $r=R_1+R_2$, $R_1\ и\ R_2$ -- радиусы ядер осколков, которые можно вычислить как
\[R=r_0A^{1/3}=1.4\cdot {10}^{-13}A^{\frac{1}{3}}\ см.\]Если считать, что деление ядра урана ${}^{238}_{92}U$ произошло на два одинаковые осколки, то $V_k\approx 200\ МэВ$, т.е. величина такая же как и $Q$.
-
Осколки, которые создаются при деление тяжелых ядер, должны быть ${\beta }^-$ - радиоактивными и могут излучать нейтроны. Это выплывает с соотношения между числом нейтронов и протонов в разных стабильных ядрах периодической системы.
