Некоторые сведения о ядерных реакциях
Некоторые данные о ядерных превращениях были получены в экспериментах с естественными радиоактивными ядрами, однако более глубокого понимания их удалось достигнуть только при изучении превращений, вызванных искусственно посредством столкновения ядер с внешними пучками частиц. Нельзя забывать, что такие явления несколько искусственны, поскольку в земных условиях они не наблюдаются для большинства ядер. Однако подобные столкновения часто происходят в недрах большинства звезд, в результате чего и создается колоссальная энергия звезд. Нейтрон не заряжен и при столкновении с ядром легко достигает его поверхности, даже обладая очень малой энергией. Когда нейтрон достаточно близко подходит к ядру и на него начинает действовать ядерная сила, можно считать, что столкновение, по крайней мере, на короткое время привело к рождению нового ядра, содержащего лишний нейтрон, оно называется составным ядром. Вероятность возникновения составного ядра можно выразить через сечение процесса поглощения нейтронов исходным ядром — по аналогии с описанием поглощения света атомами. Типичное значение сечения поглощения нейтронов относительно велико, порядка 10 – 24 см2, эта величина обозначается как 1 барн.
Тем не менее, в некоторых случаях сечения могут в тысячи раз превышать приведенное значение; прежде всего это относится к процессам поглощения нейтронов очень малых энергий (медленных нейтронов). Составное ядро обычно образуется в возбужденном состоянии, энергия которого превышает примерно на 6 МэВ энергию основного состояния того же ядра. Это обусловлено тем, что добавляемый нейтрон обладает положительной кинетической энергией, в то время как в основном состоянии составного ядра он имел бы отрицательную энергию связи около 6 МэВ. Составное ядро обычно очень нестабильно и быстро распадается, испуская либо нейтрон, либо заряженные частицы (например, протон или альфа-частицу) или излучая фотон. Названные процессы характерны для легких составных ядер. В результате в них возникает новое ядро, отличное от первоначального.
Конечное ядро также может быть нестабильным, и тогда оно претерпевает серию ядерных превращений, пока не превратится в стабильное ядро. При наличии мощного источника нейтронов (скажем, ядерного реактора) и большом сечении поглощения нейтронов исходными ядрами подобные процессы можно использовать для превращения элементов в значительных количествах. За исключением особого случая — производства плутония — эффективность такого метода не столь велика, чтобы он мог заменить естественные источники стабильных изотопов элементов. Однако данный метод позволяет получать радиоактивные изотопы различных элементов в количествах, необходимых для разных производственных, научных и медицинских целей. В ядрах с числом нуклонов более 230 после поглощения нейтрона может происходить еще один процесс: составное ядро делится на два ядра. Каждое из них примерно в два раза меньше составного ядра и обладает кинетической энергией около 200 МэВ, определяемой разностью энергий связи. Этот процесс называется вынужденным делением. Его можно представлять как спонтанное деление возбужденного составного ядра. Вероятность деления составного ядра значительно выше, чем вероятность спонтанного деления ядра-в основном состоянии, поскольку энергия возбужденного состояния примерно на 6 МэВ выше. Эта дополнительная энергия в некоторых случаях достаточна для того, чтобы продукты деления могли преодолеть электрические барьеры, которые они взаимно создают друг другу. Мы можем вызвать деление любых ядер, действуя на них нейтронами достаточно высокой энергии.
Два ядра, образовавшиеся после деления, также радиоактивны, поскольку они содержат гораздо больше нейтронов, чем протонов, тогда как стабильные ядра с такими массами имеют почти одинаковые количества протонов и нейтронов. По этой причине осколки быстро распадаются, иногда с испусканием нейтронов. В действительности эти распады наблюдаются как часть процесса деления. Именно возникновение нейтронов в процессе деления делает возможной цепную реакцию: образованные при делении ядра нейтроны при определенных условиях могут вызвать деление другого ядра, при котором опять возникают нейтроны, вызывающие деление. Этот продолжающийся процесс за сравнительно короткое время приводит к делению очень большого числа ядер.
Данное явление называется цепной реакцией. Если бы она не протекала самопроизвольно, то каждому новому нейтрону пришлось бы сообщать энергию, необходимую для деления ядра, и это потребовало бы колоссальных затрат энергии. Цепная реакция лежит в основе действия некоторых ядерных взрывчатых веществ и ядерных реакторов. Образовавшиеся при делении большого числа ядер нейтроны можно использовать для изучения других реакций, вызываемых нейтронами. Напомним, что свободный нейтрон нестабилен и приблизительно за 10 минут распадается на протон, электрон и нейтрино, поэтому невозможно «накопить» нейтроны, а потом использовать их по своему усмотрению.
