Лекции и конспекты по физике

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Основные теоретические сведения

Ядерной реакцией называется процесс, идущий при столкновении ядра или элементарной частицы с другим ядром, в результате которого меняется нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции. При записи ядерной реакции слева пишется сумма исходных частиц, затем ставится стрелка, а за ней сумма конечных продуктов. Например,

Эту же реакцию можно записать в более короткой символической форме

При рассмотрении ядерных реакций используются точные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и другие. Если в качестве элементарных частиц в ядерной реакции фигурируют только нейтроны, протоны и γ - кванты, то в процессе реакции сохраняется и число нуклонов. Тогда должны соблюдаться баланс нейтронов и баланс протонов в начальном и конечном состояниях. Для реакции  получаем:

число протонов 3 + 1 = 0 + 4;

число нейтронов 4 + 0 = 1 + 3.

Пользуясь этим правилом можно идентифицировать одного из участников реакции, зная остальных. Достаточно частыми участниками ядерных реакций являются α – частицы ( - ядра гелия), дейтроны ( - ядра тяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона по одному нейтрону) и тритоны ( - ядра сверхтяжелого изотопа водорода, содержащие кроме протона два нейтрона).

 Разность энергий покоя начальных и конечных частиц определяет энергию реакции. Она может быть как больше нуля, так и меньше нуля. В более полной форме рассмотренная выше реакция записывается так:

где  Q – энергия реакции. Для ее расчета с помощью таблицы свойств ядер сравнивают разность суммарной массы исходных участников реакции и суммарной массы продуктов реакции. Затем полученная разность масс (обычно выраженную в а.е.м.) пересчитывается в энергетические единицы (1 а.е.м. соответствует 931,5 МэВ).

Литература.

Савельев И.В. Курс общей физики. Учебн. пособие. В 5 кн. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. 1998. Гл.10.

Трофимова Т.И. Курс физики. Учебн. пособие. –М.: Высш. шк. 1990. Гл. 32.

Таблица 4. Массы некоторых нуклидов

Z

Нуклид

Масса, а.е.м.

Z

Нуклид

Масса, а.е.м.

n

1,00867

6

12,00000

1

1,00783

6

13,00335

1

2,01410

6

14,00324

1

3,01605

7

13,00574

2

3,01603

7

14,00307

2

4,00260

7

15,00011

3

6,01513

8

15,00307

3

7,01601

8

15,99491

4

7,01693

8

16.99913

4

8,00531

8

17,99916

4

9,01219

9

18,00095

5

9,01333

9

18,99840

5

10,01294

9

19,99998

5

11,00931

10

19.99244

Примеры решения задач

Пример 8

При бомбардировке нейтронами ядер изотопа бора  наблюдается испускание α - частиц. Какое получается остаточное ядро? Рассчитать энергию реакции.

Решение

Запишем уравнение реакции в виде  Для нее баланс протонов 5 + 0 = Z + 2, баланс нейтронов 5 + 1 = N + 2. Очевидно, что Z = 3 и N = 4. Следовательно, остаточное ядро - .

Для расчета энергии реакции сравним суммы масс ядра мишени и нейтрона с суммой масс образовавшихся ядер (в а.е.м). Используя данные таблицы 4, получаем:

Разность масс  а.е.м., что в пересчете соответствует высвобождаемой энергии Q = 0,003.931,5 МэВ = 2,7945 МэВ.

Задачи для самостоятельного решения

8.1 -8.25. В табл. 5 приведены ядерные реакции, соответствующие варианту задания. Определить недостающее в записи ядро или частицу и энергию реакции.

Таблица 5

Номер задачи

Ядерная реакция

8.1

8.2

8.3

8.4

8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

8.10

 

8.11

8.12

8.13

8.14

8.15

8.16

8.17

8.18

8.19

8.20

8.21

 

8.22

8.23

8.24

8.25

Атомное ядро. Закон радиоактивного распада