Yadro reaksiyasi

Yadro reaksiyasi bu yadro fizikasida ikki yadro yoki yadro va tashqi subatomik zarrachalar to'qnashib, bir yoki bir nechta yangi nuklid hosil qilish jarayonidir. Shunday qilib, yadro reaksiyasi kamida bitta nuklidning boshqa nuklidga aylanishiga olib kelishi kerak. Agar yadro boshqa yadro yoki zarracha bilan o'zaro ta'sir qilib va ular hech bir nuklidning tabiatini o'zgartirmasdan ajralib chiqsa, bu jarayon yadro reaksiyasi emas, balki yadro sochilishining bir turi deb ataladi.

Asosan, reaksiya ikkitadan ortiq zarrachalarning to'qnashuvini o'z ichiga olishi mumkin, ammo uchta yoki undan ortiq yadrolarning bir vaqtning o'zida bir joyda uchrashish ehtimoli ikkita yadronikiga qaraganda ancha past boʻlgani sababli, bunday hodisa juda kam uchraydi (qarang: Uchlik alfa masalan, uchlik yadro reaksiyasiga juda yaqin jarayon ). "Yadro reaksiyasi" atamasi boshqa zarracha bilan to'qnashuv natijasida paydo boʻlgan nuklidning o'zgarishini yoki nuklidning to'qnashuvsiz o'z-o'zidan o'zgarishini anglatishi mumkin.

Tabiiy yadro reaksiyalari kosmik nurlar va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sirlashishi natijasida sodir bo'ladi va yadroviy reaksiyalar talabga muvofiq moslashtirilgan tezlikdagi yadro energiyasini olish uchun sun'iy ravishda ishlatilishi mumkin. Bo'linadigan materiallardagi yadro zanjiri reaksiyalari majburiy yadro bo'linishlarini keltirib chiqaradi. Yengil elementlarning turli yadroviy sintez reaksiyalari Quyosh va yulduzlarning energiya ishlab chiqarishini quvvatlaydi.

Tarix

1919 yilda Ernest Rezerford Manchester universitetida azot tomon yo'naltirilgan alfa zarralaridan $^{14}N+\alpha \longrightarrow ^{17}O+p$ foydalanib, azotni kislorodga aylantirishni amalga oshira oldi. Bu induksiyalangan yadro reaksiyasining birinchi kuzatuvi edi, ya'ni bir parchalanish zarralari boshqa atom yadrosini o'zgartirish uchun ishlatiladi. Oxir-oqibat, 1932 yilda Kembrij universitetida yadroni ikkita alfa zarrachaga bo'lish uchun litiym-7 ga qarshi sun'iy tezlashtirilgan protonlardan foydalangan Rezerfordning hamkasblari Jon Kokkroft va Ernest Uolton tomonidan to'liq sun'iy yadro reaksiyasi va yadroviy transmutatsiyaga erishildi. garchi bu keyinchalik (1938 yilda) nemis olimlari Otto Xan, Liza Meytner va Frits Strasman tomonidan og'ir elementlarda kashf etilgan zamonaviy yadro bo'linish reaksiyasi bo'lmasa ham, xalq orasida " atomning bo'linishi" nomi bilan mashhur bo'ldi.

Yadro reaksiyasi tenglamalari

Yadro reaksiyalari kimyoviy tenglamalarga o'xshash shaklda ko'rsatilishi mumkin, ular uchun o'zgarmas massa tenglamaning har bir tomonida muvozanatda bo'lishi kerak va zarrachalarning o'zgarishi zaryadning saqlanishi va barion soni (umumiy atom massa soni) kabi ma'lum saqlanish qonunlariga rioya qilishi kerak. Ushbu belgining namunasi quyidagicha:

${}_{3}^{6}\!Li+{}_{1}^{2}\!H\longrightarrow {}_{2}^{4}\!He+?.$ ${}_{3}^{6}\!Li+{}_{1}^{2}\!H\longrightarrow {}_{2}^{4}\!He+?.$

Yuqoridagi tenglamani massa, zaryad va massa soni bo'yicha muvozanatlash uchun o'ngdagi ikkinchi yadro atom soni 2 va massa soni 4 bo'lishi kerak; shuning sababli u geliy-4 dir. Shunday qilib, to'liq tenglama quyidagi ko'rinishga keladi:

${}_{3}^{6}\!Li+{}_{1}^{2}\!H\longrightarrow {}_{2}^{4}\!He+{}_{2}^{4}\!He$

yoki yanada soddaroq:

${}_{3}^{6}\!Li+{}_{1}^{2}\!H\longrightarrow 2{}_{2}^{4}\!He$

Yuqoridagi uslubdagi to'liq tenglamalardan foydalanish o'rniga, ko'p hollarda yadro reaksiyalarini tasvirlash uchun ixcham formulalardan foydalaniladi. $A(b,c)D$ ko'rinishidagi bu formula $c+D$ ni hosil qiluvchi $A+b$ ga teng. Odatda yengil zarralarni ko'pincha $p$ proton uchun, $n$ neytron uchun, deytron uchun, $\alpha$ alfa zarracha yoki geliy-4, beta zarracha yoki elektron uchun $\beta$ , gamma foton uchun $\gamma$ va boshqa qisqartmalar ko'rinishida ifodalanadi. Yuqoridagi reaksiya ${}^{6}\!Li(d,\alpha )\alpha$ sifatida yoziladi.^[1]^[2]

Energiya saqlash

Reaksiya jarayonida kinetik energiya ajralib chiqishi (ekzotermik reaksiya) mumkin yoki reaksiya sodir boʻlishi uchun kinetik energiya yutilishi mumkin (endotermik reaksiya). Buni zarrachalarning tinchlikdagi juda aniq massalari jadvali^[3] orqali quyida berilgan ko'rinishda hisoblash mumkin. Jadvallariga ko'ra, ${}_{3}^{6}\!Li$ yadrosinng standart atom massasi $6,05$ massa atom birligiga (qisqartirilgan m.a.b.), deyteriy $2,014m.a.b.$ , geliy-4 yadrosi esa $4,0026m.a.b.$ ga teng ega. Shunday qilib:

alohida yadrolarning tinchlikdagi massalarining yig'indisi $=6,015+2,014=8,0294m.a.b.$ ;
ikkita geliy-yadrolarining umumiy tinchlikdagi massasi $=2\times 4,0026=8,00524m.a.b.$ ;
yo'qotilgan tinchlikdagi massa $=8,029+8,0052=0,0238m.a.b.$

Yadro reaksiyasida umumiy (nisbiy) energiya saqlanadi. Shuning uchun "yo'qotilgan" tinchlikdagi massa reaksiyada chiqariladigan kinetik energiya shaklida yana paydo bo'lishi kerak. Uning manbai yadroviy bog'lanish energiyasidir. Eynshteynning E massa-energiya ekvivalentlik formulasidan $E=mc^{2}$ foydalanib, chiqarilgan energiya miqdorini aniqlash mumkin. Bizga birinchi navbatda bitta massa atom birligining energiya ekvivalenti kerak bo'ladi:

1m.a.b.c^{2}=(1,66054\times 10^{-27}kg)\times (2,99792\times 10^{8})^{2}=1,49242\times 10^{-10}kg(m/s)^{2}=1,49242\times 10^{-10}J(joul)\times (1MeV/1,60218\times 10^{-19}J)=931,49MeV

shuning uchun

1m.a.b.c^{2}=931,49MeV

.

Demak, chiqarilgan energiya $0,0238\times 931MeV=22,2MeV$ ni tashkil qiladi.

Boshqa ko'rinishda ifodalaydigan bo'lsak: massa 0,3% ga kamayadi, bu $270TJ/kg$ dan $90PJ/kg$ $0,3\%$ ga to'g'ri keladi.

Bu yadroviy reaksiya uchun katta miqdordagi energiya. He-4 yadrosi "ikki karra sehrli" hisoblanadi, chunkienergiya miqdori juda yuqori, geliy-4 yadrosining bir nuklonga bog'lanish energiyasi noodatiy tarzda juda yuqori. (He-4 yadrosi g'ayrioddiy barqaror va geliy atomi inertligi sabab chambarchas bog'langan. He-4dagi har bir proton va neytron juftligi geliy atomidagi elektronlar juftligi to'ldirilgan 1s elektron orbitalni egallagani kabi to'ldirilgan 1s yadro orbitalini egallaydi). Binobarin, alfa zarrachalari yadro reaksiyalarining odatda o'ng tomonida paydo bo'ladi.

Yadro reaksiyasi natijasida ajralib chiqadigan energiya asosan uchta usuldan birida paydo bo'lishi mumkin:

mahsulot zarralarining kinetik energiyasi (zaryadlangan yadro reaksiyasi mahsulotlarining kinetik energiyasining ulushi bevosita elektrostatik energiyaga aylanishi mumkin);^[4]
gamma nurlari deb ataladigan juda yuqori energiyali fotonlarning emissiyasi;
ba'zi energiyalar yadroda metastabil energiya darajasi sifatida saqlanib qolishi mumkin.

Mahsulot yadrosi metastabil bo'lsa, bu uning atom raqami yoniga yulduzcha ("*") qo'yish orqali ko'rsatiladi. Bu energiya oxir-oqibat yadroviy parchalanish orqali chiqariladi.

Kichik miqdordagi energiya rentgen nurlari shaklida ham paydo bo'lishi mumkin. Umuman olganda, mahsulot yadrosi boshqa atom soniga ega va shuning sababli elektron qobig'ining konfiguratsiyasi noto'g'ri. Elektronlar o'zlarini qayta tartiblab va pastroq energiya darajasiga tushganda, ichki o'tish rentgen nurlari (aniq belgilangan emissiya chiziqlari boʻlgan rentgen nurlari) chiqarilishi mumkin.

Q-qiymati va energiya balansi

Kimyoviy tenglamaga o'xshash tarzda reaksiya tenglamasini yozishda, qo'shimcha ravishda o'ng tomonda reaksiya energiyasini ko'rsatish mumkin:

Nishon yadro + zarralar oqimi → Natijaviy yadro + ejeksiya + Q.

Yuqorida muhokama qilingan holat uchun reaksiya energiyasi allaqachon $Q=22,2MeV$ ekanligi hisoblangan. Demak:

${}_{3}^{6}\!Li+{}_{1}^{2}\!H\longrightarrow 2{}_{2}^{4}\!He+22,2MeV$

Reaksiya energiyasi ("Q-qiymati") ekzotermik reaksiyalar uchun musbat va endotermik reaksiyalar uchun manfiy, bu kimyo fanidagi huddi shunday ifodaga qarama-qarshidir. Bir tomondan, bu oxirgi va boshlang'ich nuqtalardagi kinetik energiyalar yig'indisi o'rtasidagi farq. Ammo boshqa tomondan, bu boshlang'ich va oxirgi nuqtalardagi yadroning tinchlikdagi massalari o'rtasidagi farqdir (shu tarzda biz yuqorida Q-qiymatini hisoblab chiqdik).

Reaksiya tezligi

Agar reaksiya tenglamasi muvozanatda bo'lsa, bu reaksiya haqiqatan ham sodir bo'layotganini bildirmaydi. Reaksiyalarning sodir bo'lish tezligi tushayotgan zarrachalarning energiyasi va oqimiga, shuningdek, reaksiyaning effektiv kesimiga bog'liq. Yadro astrofizika qo'shma instituti tomonidan yuritiladigan REACLIB ma'lumotlar bazasi reaksiya tezligining katta ma'lumotlar bazasiga misol bo'la oladi.

Zaryadlangan va zaryadlanmagan zarralar

Reaksiyaning dastlabki to'qnashuvida zarralarga qisqa masofadagi kuchli kuch ta'sir qilishi uchun zarralar yetarlicha yaqinlashishlari kerak. Ko'pgina yadro zarralari musbat zaryadlanganligi sababli, ular reaksiya boshlanishidan avval sezilarli elektrostatik itarilishni yengishlari kerakligini anglatadi. Hattoki, nishon-yadro neytral atomning bir qismi bo'lsa ham, boshqa zarracha elektron bulut chegarasidan ancha uzoqqa kirib, musbat zaryadlangan yadroga ko'proq yaqinlashishi kerak. Shunday qilib, bunday zarralar yuqori energiyaga oldindan tezlashtirilishi kerak, masalan:

zarracha tezlatgichlari ;
yadroviy parchalanish (bu yerda asosiy qiziqish alfa zarralariga qaratilgan , chunki beta va gamma nurlari yadroviy reaksiyalarda kamdan-kam ishtirok etadi);
termoyadroviy reaksiyalarni keltirib chiqaruvchi millionlab darajalardagi juda yuqori haroratlar;
kosmik nurlar .

Shuningdek, itarish kuchi ikki zaryadning mahsulotiga proporsional boʻlgani sababli, og'ir yadrolar orasidagi reaksiyalar og'ir kam uchraydi va og'ir va yengil yadrolar orasidagi reaksiyalarga qaraganda yuqori boshlang'ich energiya talab qiladi; ikkita yengil yadrolar orasidagi reaksiyalar esa eng keng tarqalgan.

Boshqa tomondan, neytronlar itarishni keltirib chiqaradigan elektr zaryadiga ega emas va juda past energiyalarda ham yadro reaksiyasini keltirib chiqarishga qodir. Darhaqiqat, zarrachalarning juda past energiyalarida (aytaylik, xona haroratidagi termal muvozanatga to'g'ri keladi) neytronning de-Broyl to'lqin uzunligi sezilarli darajada oshadi, bu uning ishtirok etgan yadrolarning rezonanslariga yaqin energiyalarda tutilish kesimini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Shunday qilib, past energiyali neytronlar yuqori energiyali neytronlarga qaraganda ko'proq reaktiv bo'lishi mumkin.

Ma'lum turlari

Mumkin boʻlgan yadroviy reaksiyalar soni juda ko'p bo'lsa-da, eng ko'p tarqalgan yoki boshqa e'tiborga loyiq boʻlgan bir nechta turlari mavjud. Quyida ba'zi misollar berilgan:

Sintez reaksiyalar -ikkita yengil yadro qo'shilib, og'irroq yadro hosil qiladi, keyinchalik qo'shimcha zarrachalar (odatda protonlar yoki neytronlar) chiqariladi.
Parchalash - yadroga bir nechta kichik bo'laklarni urib tushirish yoki uni ko'plab bo'laklarga bo'lish uchun yetarli energiya va impulsga ega boʻlgan zarracha uriladi.
Induksiyalangan gamma emissiyasi yadroviy qo'zg'alish holatlarini yaratish va yo'q qilishda faqat fotonlar ishtirok etgan sinfga tegishli.
Bo'linish reaksiyalari - juda og'ir yadro qo'shimcha yengil zarralarini (odatda neytronlarni) yutgandan so'ng, ikki yoki ba'zan uchta bo'lakka bo'linadi. Bu induksiyalangan yadro reaktsiyasi. Neytron yordamisiz sodir bo'ladigan o'z-o'zidan bo'linish odatda yadro reaksiyasi hisoblanmaydi. Ko'pincha, bu induksiyalangan yadro reaksiyasi emas.

To'g'ridan-to'g'ri reaksiyalar

Oraliq energetik zarralar oqimi energiyani uzatadi yoki yadro nuklonlarini juda katta tezlikda ( $10^{-21}$ soniya) oladi yoki yo'qotadi. Energiya va impulsning uzatilishi nisbatan kichikdir. Bular, ayniqsa, eksperimental yadro fizikasida foydalidir, chunki reaksiya mexanizmlari ko'pincha nishon-yadro tuzilishini tekshirish uchun yetarli aniqlik bilan hisoblash uchun yetarlicha sodda.

Noelastik sochilish

Asosiy maqola: Inelastic scattering

Faqat energiya va impuls uzatiladi.

$(p,p')$ yadroviy holatlar orasidagi farqlarni tekshiradi.
$(\alpha ,\alpha ')$ yadro yuzasining shakli va o'lchamlarini o'lchaydi. Yadroga urilgan $\alpha$ zarrachalar kuchliroq reaksiyaga kirishgani uchun elastik va sayoz noelastik $\alpha$ sochilishlar kichik qora jismdan sochilgan yorug'lik kabi nishonlarning shakli va o'lchamlariga sezgir.
$(e,e')$ ichki strukturalarni tekshirish uchun foydalidir. Elektronlar proton va neytronlarga qaraganda kamroq o'zaro ta'sirga ega boʻlganlari sababli, ular nishonlarning markazlariga yetib boradilar va yadrodan o'tish davomida ularning to'lqin funksiyalari kamroq buziladi.

Zaryad almashish reaksiyalari

Energiya va zaryad zarralar oqimi va nishon o'rtasida uzatiladi. Quyida bunday reaksiyalarga ba'zi misollar berilgan:

$(p,n)$
$({}^{3}He,t)$

Nuklonlarni o;tkazish reaksiyalari

Odatda, o'rtacha past energiyada bir yoki bir nechta nuklonlar nuqtaviy zarralar va nishon o'rtasida o'tkaziladi. Ular yadrolarning tashqi qobiq tuzilishini o'rganishda foydalidir. zarraar oqimidan nishonga o'tish reaksiyalari sodir bo'lishi mumkin; parchalanish reaksiyalari yoki nishondan zarralar oqimigacha; qamrash reaksiyalari.

$(\alpha ,n)$ va $(\alpha ,p)$ reaksiyalar. Eng birinchi o'rganilgan yadro reaksiyalarining ba'zilari bu alfa parchalanishi natijasida nishon-yadrodan nuklonni urib yuborishidan hosil boʻlgan alfa zarrachasini o'z ichiga oladi.
$(d,n)$ va $(d,p)$ reaksiyalar. Deytron dastasi nishonga tegadi; nishon-yadrolar deytrondan neytron yoki protonni yutadi. Deytron shunchalik erkin bog'langanki, bu proton yoki neytron qamrash bilan deyarli bir xil. Qo'shimcha neytronlarning sekinroqsochilishiga olib keluvchi murakkab yadro hosil bo'lishi mumkin. $(d,n)$ reaksiyalar energetik neytronlarni hosil qilish uchun ishlatiladi.
G'alati almashinuv reaksiyasi $(K,\pi )$ giperyadrolarni o'rganish uchun ishlatilgan.
1917-yilda Rezerford tomonidan amalga oshirilgan $^{14}N(\alpha ,p)^{17}O$ reaksiyasi (1919-yilda xabar qilingan) odatda birinchi yadroviy transmutatsiya tajribasi sifatida qaraladi.

Neytronlar bilan reaksiyalar

	$\longrightarrow T$	$\longrightarrow ^{7}Li$	$\longrightarrow ^{14}C$
$(n,\alpha )$	$^{6}Li+n\longrightarrow T+\alpha$	$^{10}B+n\longrightarrow ^{7}Li+\alpha$	$^{17}O+n\longrightarrow ^{14}C+\alpha$	$^{21}Ne+n\longrightarrow ^{18}O+\alpha$	$^{37}Ar+n\longrightarrow ^{34}S+\alpha$
$(n,p)$	$^{3}He+n\longrightarrow T+p$	$^{7}Be+n\longrightarrow ^{7}Li+p$	$^{14}N+n\longrightarrow ^{14}C+p$	$^{22}Na+n\longrightarrow ^{22}Ne+p$
$(n,\gamma )$	$^{2}H+n\longrightarrow T+\gamma$		$^{13}C+n\longrightarrow ^{14}C+\gamma$

Neytronlar bilan reaksiyalar yadroviy reaktorlar va yadroviy qurollarda muhim ahamiyatga ega. Eng yaxshi ma'lum boʻlgan neytron reaksiyalari neytronning sochilishi , neytron qamrash va yadro bo'linishi bo'lsa, ba'zi yengil yadrolar (ayniqsa , toq-toq yadrolar ) uchun eng ko'p ehtimol bilan termal neytronli reaksiya uzatish reaksiyasidir:

Ba'zi reaksiyalar faqat tez neytronlar bilangina imkoni mavjud:

$(n,2n)$ reaksiyalar toriy siklida oz miqdorda protaktiniy-231 va uran-232 hosil qiladi, aks holda ular nisbatan yuqori radioaktiv aktinid mahsulotlaridan xoli bo'ladi.
$^{9}Be+n\longrightarrow 2\alpha +2n$ yadroviy qurolning berilliy neytron reflektorida ba'zi qo'shimcha neytronlarni qo'shishi mumkin.
$^{7}Li+n\longrightarrow 2\alpha +2n$ Bravo, Romeo va Yanki portilatishlari Qo'shma Shtatlar tomonidan o'tkazilgan eng kuchli rentabellikga ega uchta yadroviy sinov boʻlgan " Qal'a" operatsiyasi vaqtida o'tkazildi.

Kampound yadro reaksiyalari

Past energiyali zarralar oqimi yutiladi yoki yuqori energiyali zarracha to'liq bog'lanish uchun juda ko'p energiyasini qoldirgan holda, energiyani yadroga uzatadi. Taxminan $10^{-19}$ soniya oralig'ida zarralar, odatda neytronlar "qaynatiladi". Ya'ni, o'zaro tortishishdan qochish uchun bir neytronda yetarli energiya to'planguncha u birga bo'ladi. Qo'zg'atilgan kvazi bog'langan yadro kompaund yadro deyiladi.

Kam energiya $(e,e'xn)$ , $(\gamma ,xn)$ ( $xn$ - bir yoki bir nechta neytronlarni ekanligini bildiradi), bu yerda gamma yoki virtual gamma energiyasi gigant dipol rezonansiga yaqin. Bu elektron tezlatgichlar atrofida radiatsiya himoyasi zarurligini oshiradi.