0:06
Разберем более подробно особенности
некоторых типов ядерных реакций.
Особым классом ядерных реакций
являются реакции, которые протекают
под действием заряженных частиц.
При проведении таких реакций возникает
определенное ограничение.
Оно связанно с тем,
что ядро имеет положительный заряд,
и большинство взаимодействующих с ядром частиц
также имеет положительный заряд.
Вы знаете, что между двумя
одноименными электрическими зарядами
возникает сила отталкивания,
сила кулоновского отталкивания.
Причем эта сила обратно пропорциональна
квадрату расстояния между частицами.
Расстояния в ядерных реакциях
крайне малы,
поэтому кулоновские силы,
которые возникают между частицей и ядром,
могут быть очень большими.
1:04
Когда частица приближается к ядру
на расстояние меньше расстояния
действия ядерных сил
(это 10 в –15 м),
начинает действовать другая сила –
ядерные силы.
Ядерные силы во много раз более сильные,
чем кулоновские,
но они очень короткодействующие.
Получается следующее: для того, чтобы
частицы попали
на расстояние действия ядерных сил,
они должны приблизиться
и преодолеть отталкивание кулоновское
(электростатическое отталкивание).
На рисунке, представленном на слайде,
вы видите своеобразный график
энергии взаимодействия между частицами.
И видно, что до расстояния R = 10 в –13 см
энергия очень велика,
а потом стремительно уходит
в отрицательную область.
Вот эта картинка наглядно показывает
существование барьера,
физики говорят "кулоновского барьера".
Т.е. заряженной частице,
чтобы попасть вовнутрь ядра
(чтобы вызвать ядерную реакцию),
необходимо преодолеть кулоновский барьер.
Поэтому большинство реакций,
которые идут на заряженных частицах,
являются пороговыми.
То есть налетающая частица
должна иметь определенную энергию,
причем эта энергия должна быть больше
этого самого кулоновского барьера.
2:33
Особый вид взаимодействия –
это взаимодействие нейтронов с ядрами.
Мы уже знаем,
какой физик ввел понятие протона –
это был Эрнст Резерфорд.
Теперь немножечко вспомним историю
открытия нейтронов.
Когда Резерфорд ввел
понятие атомного ядра,
потом с помощью реакции
продемонстрировал существование
положительно заряженной ядерной частицы –
протона –
физики видели,
что наличием только протонов в ядре
нельзя объяснить его вес и состав.
Значит должны быть еще частицы,
скорее всего нейтральные частицы.
Было высказано предположение,
что существует частица,
близкая по массе к протону,
но которая не имеет заряда.
Эта частица была открыта в 1929 году
британским физиком Джеймсом Чедвиком.
Он облучал бериллий альфа-частицами.
В результате этой реакции образовывался углерод,
он был зафиксирован в процессе реакции,
но далее вылетали
какие-то непонятные частицы.
Их поместили в магнитное поле –
они не отклонялись;
значит, эти частицы были нейтральными.
Сначала было высказано предположение,
что это высокоэнергетические гамма-кванты.
Но по энергетическому балансу
этого не получалось.
Тогда исследователь
сделал следующий эксперимент:
он поставил на пути
этих неизвестных частиц парафин.
Парафин богат углеродом,
и с обратной стороны образца
начали вылетать протоны.
То есть эти неизвестные излучения,
эти неизвестные нейтральные частицы,
взаимодействовали с ядрами
с такой энергией,
что выбивали из них протоны.
И тогда Чедвик предположил,
что эти частицы –
именно та неизвестная частица,
которая была предсказана теоретически,
и назвал ее нейтроном.
Вот так была открыта
вторая внутриядерная частица – нейтрон.
Реакции ядер с нейтронами
составляют самый обширный
и разнообразный класс реакций.
Это объясняется очень просто:
у нейтрона не существует кулоновского барьера,
он нейтрален.
Поэтому, фактически
нейтрон с любой энергией
может приблизиться к ядру
на расстоянии действия ядерных сил
и провзаимодействовать с ним.
Кроме того, нейтроны,
именно реакции на нейтронах,
послужили основой
большинства тех ядерных технологий,
которые в настоящее время
используются в мире.
Это и те реакции, в результате которых
выделяется ядерная энергия,
и то взаимодействие нейтронов с веществом,
которое используется при облучении продуктов
в сельском хозяйстве, в ядерной медицине.
Таким образом, нейтрон – это и энергетик,
и солдат, и врач.
Рассмотрим несколько примеров взаимодействия
нейтронов с ядрами элементов.
Первая реакция –
никель взаимодействует с нейтроном,
получается ядро возбужденного никеля
и вылетает, опять-таки, нейтрон.
Такая реакция называется реакцией рассеяния.
То есть при взаимодействии с веществом
нейтрон изменяет свою энергию,
образуется возбужденное ядро,
образуется тот же самый нейтрон,
и в дальнейшем это возбужденное ядро
снимает возбуждение с помощью
испускания энергетического гамма-кванта.
Другая реакция:
золото взаимодействует с нейтроном,
превращается в золото с большим число нуклонов,
т.е. в начале реакции у нас было золото-197,
образовалось золото-198
и испускается гамма-квант,
то есть нейтрон поглощается.
7:19
Об этой реакции мы поговорим в дальнейшем,
когда будем говорить о том,
какие именно ядерные реакции
широко используются
в ядерных технологиях
и в ядерной энергетике.
Ну и наконец, еще одна интересная реакция –
захват ураном-238 нейтрона.
В результате этого захвата,
уран превращается в уран-239.
Он испускает бета-частицу,
превращается в нептуний-239,
который в свою очередь нестабильный элемент.
Он через некоторое время
испускает еще одну бета-частицу
и превращается в плутоний-239.
Плутоний тоже нестабильный элемент,
но период полураспада плутония
составляет более 10 тыс. лет.
Поэтому с этим веществом
(с плутонием-239) можно работать.
И именно это вещество
используется в ядерном оружии,
используется в ядерной энергетике.
Одна из бомб,
которую Соединенные Штаты Америки в 1945 году
сбросили на японские города,
была сделана с использованием уран-235,
а вторая бомба была плутониевой,
т.е. использован элемент плутоний-239.
В настоящий момент физики США,
России, Франции и других стран
трудятся над тем, чтобы использовать
этот плутоний в энергетических реакторах,
т.е. превратить элемент-убийцу
в элемент-энергетика.
Ну и наконец, последний тип реакций,
который мы рассмотрим сейчас –
это так называемые фотоядерные реакции –
реакции, которые происходят
под действием гамма-квантов.
При взаимодействии атомного ядра
с высокоэнергетическим гамма-квантом,
гамма-квант может выбивать из ядер
частицы, например, нуклоны.
Это называется ядерный фотоэффект.
То есть гамма-квант должен обладать
достаточно большой энергией,
чтобы разорвать связь нуклона с ядром,
чтобы он отошел от ядра
на расстояние большее,
чем действие ядерных сил.