Процессы, происходящие при внешнем воздействии на атомные ядра элементарных частиц или других ядер, в результате которых ядра претерпевают какие-либо превращения, называются ядерными реакциями. Процессы радиоактивности, при которых соответствующие превращения происходят внутри самих ядер в силу их внутренней неустойчивости (без внешнего воздействия), к ядерным реакциям не относятся.
При исследованиях в современной ядерной физике часто прибегают к «бомбардировке» атомных ядер-мишеней элементарными частицами. Взаимодействия между ядрами и частицами очень разнообразны.
В результате ядерных реакций изменяется состав ядер, что нередко приводит к превращению одних химических элементов в другие; во всех случаях изменяется энергетическое состояние ядер, вступающих в реакцию. Впервые реакция искусственного превращения одного элемента в другой была осуществлена в 1919 г. известным английским физиком Э. Резефордом.
Эта реакция проходит в две стадии:
>14>7N+>4>2He->> 18>9F*
Знак * указывает, что ядро находится в возбужденном состоянии. В результате на этой стадии получается радиоактивный изотоп фтора, ядро которого через очень короткий промежуток времени (около 10>—14 с), называемый временем жизни возбужденного ядра, теряет избыточную энергию, испуская протон (ядро атома водорода), и превращается в устойчивый изотоп кислорода:
>18>9F->> 17>8O+>1>1H.
Избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергии ядер >17>8O и >1>1H, разлетающихся с большой скоростью. Обыно ядерные реакции записывают (опуская промежуточную запись) следующим образом:
>14>7N+>4>2He->> 17>8O+>1>1H.
В ядерных процессах, происходящих в реакторах, главное значение имеют ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Ниже кратко рассматриваются особенности и физическая сущность этих реакций.
Элементарные частицы-нейтроны, не обладая электрическим зарядом, не взаимодействуют с электронами атомов и не подвержены влиянию кулоновских сил ядер. Поэтому нейтроны обладают огромной проникающей способностью. Ядерные реакции, вызываемые нейтронами, происходят с образованием промежуточного ядра, называемого также составным ядром. Ядро, образующееся в результате ядерной реакции, называется ядром отдачи.
Промежуточное ядро обладает энергией возбуждения, т. е. избытком энергии по сравнению с энергией такого же ядра, находящегося в основном состоянии. Этот избыток энергии, приобретаемый ядром при столкновении с нейтроном (энергия возбуждения промежуточного ядра), равен сумме кинетической энергии нейтрона и его энергии связи в составном ядре.
Основными видами ядерных реакций, вызываемых нейтронами, происходящих в ядерных реакторах, являются: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, превращение и деление.
Рассеянием нейтронов атомными ядрами называют процесс, в результате которого происходит только передача кинетической энергии налетевшего нейтрона нуклонам ядра-мишени. Рассеяние может быть упругим и неупругим.
Реакция упругого рассеяния нейтрона ядром аналогична столкновению двух идеально упругих шаров (рис. 1.6).
При этом виде рассеяния нейтрона кинетическая энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» остается неизменной: не происходит ни поглощения, ни выделения энергии, происходит лишь отдача кинетической энергии нейтрона ядру-мишени без изменения внутреннего состояния ядра. Доля теряемой нейтроном энергии и изменение направления его движения зависят от соотношения кинетических энергий нейтрона и ядра-мишени: если энергия нейтрона больше энергии ядра, то рассеянный нейтрон замедляется, а ядро ускоряется, и наоборот.
