БОМБАРДИРОВКА ЯДЕР ЧАСТИЦАМИ

Наиболее простые ядерные реакции осуществляются путем бомбардировки ядер-мишеней какими-нибудь частицами: протонами, нейтронами, альфа-частицами или ядрами других элементов. При внедрении этих частиц в ядро-мишень сначала образуется новое ядро, которое, как правило, оказывается очень неустойчивым и испытывает радиоактивный распад. При бомбардировке частицами, имеющими положительный заряд, существенно преодоление кулоновского отталкивания от ядра-мишени. Например, кинетическая энергия, которая необходима протону только для преодоления электрического отталкивания при приближении к ядру кислорода на расстояние порядка его радиуса должна быть равна

Чтобы иметь такую энергию, протон должен предварительно пробежать в электрическом поле разгоняющую разность потенциалов в 1 млн. В.

Для того чтобы проникнуть в ядро, энергия протона должна быть еще больше. Ядерные силы притяжения, действующие на протон, становятся соизмеримыми с электрическими силами отталкивания только на очень малых расстояниях от поверхности ядер.

Ядра окружены ядерным потенциальным барьером, препятствующим вылету нуклонов, не имеющих достаточной энергии; радиоактивный выход альфа-частиц, протонов и нейтронов из неустойчивых ядер объясняется «туннельным эффектом» (см. ч. IV, § 11). С другой стороны, частица (протон, нейтрон и др.), вошедшая в ядро с некоторой кинетической энергией, приобретает под действием ядерных сил притяжения некоторую дополнительную энергию. Эта энергия могла бы обеспечить обратный вылет частицы из ядра, но вследствие взаимодействия часть этой энергии передается другим нуклонам. Таким образом, поступление новой частицы в ядро сопровождается увеличением средней энергии нуклонов в ядре. Эта энергия может быть уменьшена при удалении каких-нибудь частиц из ядра (радиоактивность), а также путем испускания фотонов.

Рассмотрим несколько примеров ядерных реакций такого типа. Исторически первой была реакция, осуществленная Э. Резерфордом (1919 г.) при бомбардировке ядра азота альфа-частицами;

т. е. ядро азота вместе в ядром гелия образуют сначала ядро изотопа фтора, которое оказывается весьма неустойчивым и почти мгновенно распадается на стабильный изотоп кислорода и протон. В этой реакции кинетическая энергия альфа-частиц превосходит кинетическую энергию продуктов реакции на (Сумма масс ядер азота и гелия равна ядра кислорода и протона имеют массу изменение массы отрицательное: ) В другой реакции

выделяется энергия, равная

Приведем несколько ядерных реакций, полученных при бомбардировке протонами:

(образовавшееся ядро азота оказывается в возбужденном состоянии, из которого возможен переход в нормальное путем излучения гамма-фотона);

(образовавшееся ядро цинка «перегружено» нейтронами и переходит в стабильное состояние, выбросив лишний нейтрон);

(полученные при реакции альфа-частицы имеют различные значения энергии, вследствие чего ядро кислорода оказывается или в. нормальном, или в возбужденном состоянии; в последнем случае при переходе в нормальное состояние испускается гамма-фотон).

Интересное явление установлено при бомбардировке ядер дейтонами (ядром водорода, содержащим протон и один нейтрон). Вблизи поверхности ядра на нейтрон действуют только ядерные силы притяжения, тогда как на протон действуют значительные электрические силы отталкивания (возле ядра напряженность электрического поля достигает колоссальных значений порядка Вследствие этого дейтон, у которого энергия связи нуклонов очень мала, не проникает внутрь ядра-мишени, а разрывается вблизи него, причем нейтрон втягивается в ядро, а протон отбрасывается обратно:

Напишем несколько реакций, вызываемых нейтронами: 1) образование дейтерия из обыкновенного водорода выделением энергии на каждое ядро:

Вероятность осуществления такой реакции очень мала (из очень большого числа столкновений между протонами и нейтронами лишь небольшая часть приводит к образованию дейтона);

2) поглощение нейтрона кадмием, которое для медленных («тепловых») нейтронов (с энергией порядка проходит с большой вероятностью:

Обе указанные выше реакции относятся к радиационным захватам, при которых внедрение новой частицы в ядро сопровождается излучением фотона;

3) реакции отражения нейтронов ядрами углерода

4) реакции извлечения из ядер протона или альфа-частицы:

5) если энергия нейтронов очень велика ( то возможны реакции с выходом нескольких нейтронов, например

Новое ядро, образовавшееся при проникновении в мишень бомбардирующей частицы (называемое иногда составным ядром), может иметь различные каналы распада в зависимости от энергии налетающей частицы. Характерным примером является поведение изотопа фтора при энергии бомбардирующего нейтрона,

Время существования составного (нестабильного) ядра может быть различным; у некоторых оно равно Обычно это время сравнивают с временем, которое необходимо, чтобы нуклон с энергией 10 МэВ (средняя энергия нуклонов в ядре) прошел путь, равный диаметру ядра. Это время имеет порядок поэтому условились принять с за «естественное», или «характерное», ядерное время. Таким образом, время существования нестабильных составных ядер значительно больше ядерного времени, что дает основание рассматривать их как определенные промежуточные системы в цепи ядерных превращений.

При бомбардировке частицами ядер-мишеней вероятность попадания очень мала. Так, например, в опыте Резерфорда из альфа-частиц лишь восемь проникли в ядра азота и вызвали ядерное превращение. Поэтому ядерные реакции такого типа весьма нерентабельны: они требуют затраты огромной энергии на сообщение частицам-снарядам необходимой кинетической энергии для проникновения в ядро-мишень и дают весьма незначительную полезную продукцию.