Yadro reaksiyasi

Yadro reaksiyasi bu yadro fizikasida ikki yadro yoki yadro va tashqi subatomik zarrachalar toʻqnashib, 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 oʻzaro taʼsir qilib va ular hech bir nuklidning tabiatini oʻzgartirmasdan ajralib chiqsa, bu jarayon yadro reaksiyasi emas, balki yadro sochilishining bir turi deb ataladi.

Asosan, reaksiya ikkitadan ortiq zarrachalarning toʻqnashuvini oʻz ichiga olishi mumkin, ammo uchta yoki undan ortiq yadrolarning bir vaqtning oʻzida 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 toʻqnashuv natijasida paydo boʻlgan nuklidning oʻzgarishini yoki nuklidning toʻqnashuvsiz oʻz-oʻzidan oʻzgarishini anglatishi mumkin.

Tabiiy yadro reaksiyalari kosmik nurlar va materiya oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirlashishi natijasida sodir boʻladi va yadroviy reaksiyalar talabga muvofiq moslashtirilgan tezlikdagi yadro energiyasini olish uchun sunʼiy ravishda ishlatilishi mumkin. Boʻlinadigan materiallardagi yadro zanjiri reaksiyalari majburiy yadro boʻlinishlarini keltirib chiqaradi. Yengil elementlarning turli yadroviy sintez reaksiyalari Quyosh va yulduzlarning energiya ishlab chiqarishini quvvatlaydi.

Tarix

1919 yilda Ernest Rezerford Manchester universitetida azot tomon yoʻnaltirilgan alfa zarralaridan $^{14}N+\alpha \longrightarrow ^{17}O+p$ foydalanib, azotni kislorodga aylantirishni amalga oshira oldi. Bu induksiyalangan yadro reaksiyasining birinchi kuzatuvi edi, yaʼni bir parchalanish zarralari boshqa atom yadrosini oʻzgartirish uchun ishlatiladi. Oxir-oqibat, 1932 yilda Kembrij universitetida yadroni ikkita alfa zarrachaga boʻlish uchun litiym-7 ga qarshi sunʼiy tezlashtirilgan protonlardan foydalangan Rezerfordning hamkasblari Jon Kokkroft va Ernest Uolton tomonidan toʻliq sunʼiy yadro reaksiyasi va yadroviy transmutatsiyaga erishildi. garchi bu keyinchalik (1938 yilda) nemis olimlari Otto Xan, Liza Meytner va Frits Strasman tomonidan ogʻir elementlarda kashf etilgan zamonaviy yadro boʻlinish reaksiyasi boʻlmasa ham, xalq orasida „ atomning boʻlinishi“ nomi bilan mashhur boʻldi.

Yadro reaksiyasi tenglamalari

Yadro reaksiyalari kimyoviy tenglamalarga oʻxshash shaklda koʻrsatilishi mumkin, ular uchun oʻzgarmas massa tenglamaning har bir tomonida muvozanatda boʻlishi kerak va zarrachalarning oʻzgarishi zaryadning saqlanishi va barion soni (umumiy atom massa soni) kabi maʼlum 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 boʻyicha muvozanatlash uchun oʻngdagi ikkinchi yadro atom soni 2 va massa soni 4 boʻlishi kerak; shuning sababli u geliy-4 dir. Shunday qilib, toʻliq tenglama quyidagi koʻrinishga 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 toʻliq tenglamalardan foydalanish oʻrniga, koʻp hollarda yadro reaksiyalarini tasvirlash uchun ixcham formulalardan foydalaniladi. $A(b,c)D$ koʻrinishidagi bu formula $c+D$ ni hosil qiluvchi $A+b$ ga teng. Odatda yengil zarralarni koʻpincha $p$ 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 koʻrinishida 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 koʻrinishda hisoblash mumkin. Jadvallariga koʻra, ${}_{3}^{6}\!Li$ 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 yigʻindisi $=6,015+2,014=8,0294m.a.b.$ ;
ikkita geliy-yadrolarining umumiy tinchlikdagi massasi $=2\times 4,0026=8,00524m.a.b.$ ;
yoʻqotilgan tinchlikdagi massa $=8,029+8,0052=0,0238m.a.b.$

Yadro reaksiyasida umumiy (nisbiy) energiya saqlanadi. Shuning uchun „yoʻqotilgan“ tinchlikdagi massa reaksiyada chiqariladigan kinetik energiya shaklida yana paydo boʻlishi kerak. Uning manbai yadroviy bogʻlanish 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 boʻladi:

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 koʻrinishda ifodalaydigan boʻlsak: massa 0,3% ga kamayadi, bu $270TJ/kg$ dan $90PJ/kg$ $0,3\%$ ga toʻgʻri keladi.

Bu yadroviy reaksiya uchun katta miqdordagi energiya. He-4 yadrosi „ikki karra sehrli“ hisoblanadi, chunkienergiya miqdori juda yuqori, geliy-4 yadrosining bir nuklonga bogʻlanish energiyasi noodatiy tarzda juda yuqori. (He-4 yadrosi gʻayrioddiy barqaror va geliy atomi inertligi sabab chambarchas bogʻlangan. He-4dagi har bir proton va neytron juftligi geliy atomidagi elektronlar juftligi toʻldirilgan 1s elektron orbitalni egallagani kabi toʻldirilgan 1s yadro orbitalini egallaydi). Binobarin, alfa zarrachalari yadro reaksiyalarining odatda oʻng tomonida paydo boʻladi.

Yadro reaksiyasi natijasida ajralib chiqadigan energiya asosan uchta usuldan birida paydo boʻlishi 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;
baʼzi energiyalar yadroda metastabil energiya darajasi sifatida saqlanib qolishi mumkin.

Mahsulot yadrosi metastabil boʻlsa, bu uning atom raqami yoniga yulduzcha („*“) qoʻyish orqali koʻrsatiladi. Bu energiya oxir-oqibat yadroviy parchalanish orqali chiqariladi.

Kichik miqdordagi energiya rentgen nurlari shaklida ham paydo boʻlishi mumkin. Umuman olganda, mahsulot yadrosi boshqa atom soniga ega va shuning sababli elektron qobigʻining konfiguratsiyasi notoʻgʻri. Elektronlar oʻzlarini qayta tartiblab va pastroq energiya darajasiga tushganda, ichki oʻtish rentgen nurlari (aniq belgilangan emissiya chiziqlari boʻlgan rentgen nurlari) chiqarilishi mumkin.

Q-qiymati va energiya balansi

Kimyoviy tenglamaga oʻxshash tarzda reaksiya tenglamasini yozishda, qoʻshimcha ravishda oʻng tomonda reaksiya energiyasini koʻrsatish 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 boshlangʻich nuqtalardagi kinetik energiyalar yigʻindisi oʻrtasidagi farq. Ammo boshqa tomondan, bu boshlangʻich va oxirgi nuqtalardagi yadroning tinchlikdagi massalari oʻrtasidagi farqdir (shu tarzda biz yuqorida Q-qiymatini hisoblab chiqdik).

Reaksiya tezligi

Agar reaksiya tenglamasi muvozanatda boʻlsa, bu reaksiya haqiqatan ham sodir boʻlayotganini bildirmaydi. Reaksiyalarning sodir boʻlish tezligi tushayotgan zarrachalarning energiyasi va oqimiga, shuningdek, reaksiyaning effektiv kesimiga bogʻliq. Yadro astrofizika qoʻshma instituti tomonidan yuritiladigan REACLIB maʼlumotlar bazasi reaksiya tezligining katta maʼlumotlar bazasiga misol boʻla oladi.

Zaryadlangan va zaryadlanmagan zarralar

Reaksiyaning dastlabki toʻqnashuvida zarralarga qisqa masofadagi kuchli kuch taʼsir qilishi uchun zarralar yetarlicha yaqinlashishlari kerak. Koʻpgina yadro zarralari musbat zaryadlanganligi sababli, ular reaksiya boshlanishidan avval sezilarli elektrostatik itarilishni yengishlari kerakligini anglatadi. Hattoki, nishon-yadro neytral atomning bir qismi boʻlsa ham, boshqa zarracha elektron bulut chegarasidan ancha uzoqqa kirib, musbat zaryadlangan yadroga koʻproq 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, ogʻir yadrolar orasidagi reaksiyalar ogʻir kam uchraydi va ogʻir va yengil yadrolar orasidagi reaksiyalarga qaraganda yuqori boshlangʻich 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 toʻgʻri keladi) neytronning de-Broyl toʻlqin 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 koʻproq reaktiv boʻlishi mumkin.

Maʼlum turlari

Mumkin boʻlgan yadroviy reaksiyalar soni juda koʻp boʻlsa-da, eng koʻp tarqalgan yoki boshqa eʼtiborga loyiq boʻlgan bir nechta turlari mavjud. Quyida baʼzi misollar berilgan:

Sintez reaksiyalar -ikkita yengil yadro qoʻshilib, ogʻirroq yadro hosil qiladi, keyinchalik qoʻshimcha zarrachalar (odatda protonlar yoki neytronlar) chiqariladi.
Parchalash – yadroga bir nechta kichik boʻlaklarni urib tushirish yoki uni koʻplab boʻlaklarga boʻlish uchun yetarli energiya va impulsga ega boʻlgan zarracha uriladi.
Induksiyalangan gamma emissiyasi yadroviy qoʻzgʻalish holatlarini yaratish va yoʻq qilishda faqat fotonlar ishtirok etgan sinfga tegishli.
Boʻlinish reaksiyalari – juda ogʻir yadro qoʻshimcha yengil zarralarini (odatda neytronlarni) yutgandan soʻng, ikki yoki baʼzan uchta boʻlakka boʻlinadi. Bu induksiyalangan yadro reaktsiyasi. Neytron yordamisiz sodir boʻladigan oʻz-oʻzidan boʻlinish odatda yadro reaksiyasi hisoblanmaydi. Koʻpincha, bu induksiyalangan yadro reaksiyasi emas.

Toʻgʻridan-toʻgʻri reaksiyalar

Oraliq energetik zarralar oqimi energiyani uzatadi yoki yadro nuklonlarini juda katta tezlikda ( $10^{-21}$ soniya) oladi yoki yoʻqotadi. Energiya va impulsning uzatilishi nisbatan kichikdir. Bular, ayniqsa, eksperimental yadro fizikasida foydalidir, chunki reaksiya mexanizmlari koʻpincha 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 oʻlchamlarini oʻlchaydi. Yadroga urilgan $\alpha$ zarrachalar kuchliroq reaksiyaga kirishgani uchun elastik va sayoz noelastik $\alpha$ sochilishlar kichik qora jismdan sochilgan yorugʻlik kabi nishonlarning shakli va oʻlchamlariga sezgir.
$(e,e')$ ichki strukturalarni tekshirish uchun foydalidir. Elektronlar proton va neytronlarga qaraganda kamroq oʻzaro taʼsirga ega boʻlganlari sababli, ular nishonlarning markazlariga yetib boradilar va yadrodan oʻtish davomida ularning toʻlqin funksiyalari kamroq buziladi.

Zaryad almashish reaksiyalari

Energiya va zaryad zarralar oqimi va nishon oʻrtasida uzatiladi. Quyida bunday reaksiyalarga baʼzi misollar berilgan:

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

Nuklonlarni o;tkazish reaksiyalari

Odatda, oʻrtacha past energiyada bir yoki bir nechta nuklonlar nuqtaviy zarralar va nishon oʻrtasida oʻtkaziladi. Ular yadrolarning tashqi qobiq tuzilishini oʻrganishda foydalidir. zarraar oqimidan nishonga oʻtish reaksiyalari sodir boʻlishi mumkin; parchalanish reaksiyalari yoki nishondan zarralar oqimigacha; qamrash reaksiyalari.

$(\alpha ,n)$ va $(\alpha ,p)$ reaksiyalar. Eng birinchi oʻrganilgan yadro reaksiyalarining baʼzilari bu alfa parchalanishi natijasida nishon-yadrodan nuklonni urib yuborishidan hosil boʻlgan alfa zarrachasini oʻz ichiga oladi.
$(d,n)$ va $(d,p)$ reaksiyalar. Deytron dastasi nishonga tegadi; nishon-yadrolar deytrondan neytron yoki protonni yutadi. Deytron shunchalik erkin bogʻlanganki, bu proton yoki neytron qamrash bilan deyarli bir xil. Qoʻshimcha neytronlarning sekinroqsochilishiga olib keluvchi murakkab yadro hosil boʻlishi mumkin. $(d,n)$ reaksiyalar energetik neytronlarni hosil qilish uchun ishlatiladi.
Gʻalati almashinuv reaksiyasi $(K,\pi )$ giperyadrolarni oʻrganish 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 maʼlum boʻlgan neytron reaksiyalari neytronning sochilishi, neytron qamrash va yadro boʻlinishi boʻlsa, baʼzi yengil yadrolar (ayniqsa, toq-toq yadrolar) uchun eng koʻp ehtimol bilan termal neytronli reaksiya uzatish reaksiyasidir:

Baʼzi 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 boʻladi.
$^{9}Be+n\longrightarrow 2\alpha +2n$ yadroviy qurolning berilliy neytron reflektorida baʼzi qoʻshimcha neytronlarni qoʻshishi mumkin.
$^{7}Li+n\longrightarrow 2\alpha +2n$ Bravo, Romeo va Yanki portilatishlari Qoʻshma Shtatlar tomonidan oʻtkazilgan eng kuchli rentabellikga ega uchta yadroviy sinov boʻlgan „ Qal’a“ operatsiyasi vaqtida oʻtkazildi.

Kampound yadro reaksiyalari

Past energiyali zarralar oqimi yutiladi yoki yuqori energiyali zarracha toʻliq bogʻlanish uchun juda koʻp energiyasini qoldirgan holda, energiyani yadroga uzatadi. Taxminan $10^{-19}$ soniya oraligʻida zarralar, odatda neytronlar „qaynatiladi“. Yaʼni, oʻzaro tortishishdan qochish uchun bir neytronda yetarli energiya toʻplanguncha u birga boʻladi. Qoʻzgʻatilgan kvazi bogʻlangan 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.