14.4. Спонтанное деление тяжелых ядер. Гамма-излучение

Процесс спонтанного деления тяжелых ядер был обнаружен в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаковым. Ими было установлено, что без какого-либо внешнего воздействия ядра урана самопроизвольно делятся на две примерно равные части. Позднее было установлено, что возможно спонтанное деление многих других тяжелых ядер. По своим характерным чертам это явление близко к вынужденному делению ядер, рассмотренному в следующем разделе.

Гамма-излучение является, по сути, электромагнитной волной, имеющей очень малую длину волны. Так же, как излучение оптического диапазона сопровождает энергетические переходы электронов в атомах, γ-излучение сопровождает все ядерные процессы. Высокая энергия γ-квантов обусловлена спецификой ядерных взаимодействий.

15. Ядерные реакции

15.1. Вынужденные ядерные процессы

Ядерной реакцией называют процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, приводящий к преобразованию ядра (или нескольких ядер). Реакция возникает при сближении реагирующих частиц на расстояние порядка 1 Ферми (10^–15м).

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

(15.1)

Уравнения таких реакций принято записывать в сокращенном виде:

(15.2)

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы – сначала исходная, затем конечная. Такими частицами могут быть нейтрон, протон, дейтрон, α-частица и γ-фотон.

Энергией реакции называется количество энергии, выделяющейся или поглощающейся в результате реакции. Она определяется разностью масс исходных и конечных ядер, выраженной в единицах энергии. Если сумма масс исходных ядер меньше суммы масс образовавшихся ядер, то энергия реакции будет отрицательной. Это означает, что реакция идет с поглощением энергии.

В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившийся к ядру X частицы a и b образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром (или компаунд-ядром). Энергия, привнесенная частицей a за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами компаунд-ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двухстадийное протекание реакции записывается следующим образом:

(15.3)

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых.

Важно, что эти реакции, в отличие от самопроизвольных процессов, описанных в разделе 14, протекают только под воздействием сторонних легких частиц.

Интерес представляет реакция которая постоянно протекает в окружающей нас среде под действием нейтронов, создаваемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, он β^–-радиоактивен, период полураспада равен 5730 лет. Как показали исследования, число возникающих в единицу времени в результате приведенной выше реакции ядер углерода и число распадающихся ядер в ту же единицу времени в среднем одинаково. В живых организмах это равновесие поддерживается за счет участия радиоуглерода в круговороте веществ в природе. В момент гибели организма восполнение распавшегося углерода прекращается, его концентрация начинает убывать по экспоненциальному закону. Следовательно, измерив концентрацию радиоуглерода в останках организма, можно определить дату его смерти. Эти соображения представляют суть широко применяемого в археологии так называемого радиоуглеродного анализа.