Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Мы подошли к выводу, что самыми "удобными" для осуществления ядерных
реакций частицами являются нейтроны, т. к. они не тратят энергию на
ионизационное торможение и между ними и ядрами нет ку-лоновского барьера.
И действительно, ядерных реакций с участием нейтронов известно так много
и они имеют такое большое научное и практическое значение, что их часто
выделяют в отдельный раздел ядерной физики - нейтронную физику. Наиболее
интересные и важные реакции из этого раздела мы и будем рассматривать в
первую очередь. Но сначала введем характеристики ядерных реакций, без
которых невозможно их описание.
§76. Основные характеристики ядерных реакций
Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергия реакции. Для
ядерной реакции между частицей а и ядром А, в результате которой
образовались частица b и ядро В, принята запись:
a + A^b + B + Q, или короче А(аЪ)В.
Здесь Q - энергия реакции. В этом процессе, как всегда, выполняются
законы сохранения зарядового числа (Za + Za = Zb + Zb) и массового числа
(Аа + Аа = Аъ + Ав), законы сохранения полной энергии и импульса.
Наиболее часто ядерные реакции происходят по схеме "пучок-мишень". В этом
случае в лабораторной системе координат (J1CK) ядро А покоится: Та = 0.
Энергия Q, выделяющаяся в реакции, распределяется между продуктами
реакции и по определению равна:
Q = (Тъ + Тв)-Та. (15.1)
Из закона сохранения полной энергии (полная энергия г-й частицы Ei = =
rriiC2 + Ti) с учетом (15.1) получаем: Q = (тпа + Ма)с2-(тпъ + Мв)с2,
или:
Q (МэВ) = 931,5 (МэВ /а.е.м.) • [(та + Ма) - (ть-\- Мв)}( а.е.м.). (15.2)
390
Глава 15
Ядерные реакции могут идти как с выделением энергии (Q > 0), так и с
затратой энергии (Q < 0). При Q = 0 реакции происходят без изменения
природы частиц и, если они идут под действием ядерных сил, называются
реакциями упругого рассеяния. В этих реакциях энергия частиц,
перераспределяется между рассеянными частицами и ядрами отдачи, но
изменения структуры ядер не происходит. Если Q < 0, то реакции являются
пороговыми и идут только при Та ^ Тапор. Очевидно, что Та пор > |Q|.
Применив к пороговым реакциям законы сохранения энергии и импульса,
получаем для Тап0р-
Га пор = №\ААААЛа- (15.3)
Заметим, что если ядерная реакция А(аЪ)В возможна, то и обратная реакция
В(Ъа)А тоже возможна. Но если в первой реакции Q > 0, то во второй
реакции Q имеет обратный знак, т. е. эта реакция является пороговой.
Рассмотрим несколько примеров ядерных реакций. Первой наблюдавшейся
ядерной реакцией, происходящей при прохождении а-частиц через воздух
(Резерфорд, 1919 г), была реакция:
а + ^4N -> р + I7О + Q.
Расчеты по формулам (15.2) и (15.3) дают для этой реакции: Q = = -1,20
МэВ и Тапор = 1,54 МэВ. Высота кулоновского барьера между а-частицами и
ядрами азота еще больше:^ 4 МэВ. Но среди а-частиц, испускаемых
радиоактивным источником, были частицы с достаточно большой энергией, и
реакцию удалось наблюдать. На рис. 160 приведена фотография этой реакции
в камере Вильсона. Частицы (а-ча-стица, ядро 170 и протон р) создают на
своем пути в камере ионы, служащие центрами конденсации капелек жидкости
из пересыщенного пара, заполняющего рабочий объем камеры. Ионизирующая
способность частиц пропорциональна квадрату заряда частиц, поэтому след
протона получился тонким по сравнению со следами а-частиц и ядра §70.
Как уже обсуждалось выше, между нейтронами и ядрами нет кулоновского
барьера. И если для какой-либо реакции Q > 0, то реакция может идти при
любой энергии нейтронов. Например, реакция
п + 5°В -4 Li + \а + 2,79 МэВ
широко используется для регистрации медленных нейтронов с помощью
пропорциональных счетчиков, заполненных содержащим бор газом BF3.
Продукты реакции обладают высокой ионизирующей способностью, и на
§76. Основные характеристики ядерных реакций 391
Рис. 160. Реакция 147N(ap)870, зарегистрированная в камере Вильсона.
выходе счетчика создается импульс, достаточный для последующей
регистрации.
Однако свободных нейтронов в окружающем нас пространстве практически нет.
Их нужно получать. Удобной реакцией для получения нейтронных потоков
является реакция
\ol + 9Ве С + п + 5,7 МэВ или (r)Ве(ап)12С,
в которой и были открыты нейтроны (Чадвик, 1932 г). Высота куло-новского
барьера между а-частицей и ядром берилия невелика, и энергии а-частиц от
радиоактивных изотопов для этой реакции вполне хватает. В источниках
этого типа в качестве а-излучателя чаще других используется изотоп Ц9Ри.
Источник, содержащий смесь соли плутония с активностью А = 1 Ки с
порошком берилия, испускает ~ 106 нейтро-
392
Глава 15
нов в секунду с энергией 1 + 11 МэВ. В источниках нейтронов могут
использоваться также реакции др. типов, например (рп), (dn), (771) и др.
Но самыми мощными источниками нейтронов являются ядерные реакторы.
Эффективные сечения и выходы ядерных реакций являются вероятностными
характеристиками ядерных реакций. С эффективными сечениями сг мы уже
встречались в §35 и §47. Физический смысл эффективных сечений во всех
