Ydinreaktio on atomiytimen vuorovaikutusprosessi toisen ytimen tai alkuainehiukkasen kanssa , johon voi liittyä muutos ytimen koostumuksessa ja rakenteessa. Vuorovaikutuksen seurauksena voi olla ytimen fissio, alkuainehiukkasten tai fotonien emissio . Vasta muodostuneiden hiukkasten kineettinen energia voi olla paljon suurempi kuin alkuperäinen, ja puhutaan energian vapautumisesta ydinreaktion seurauksena.
Rutherford havaitsi ensimmäisen kerran ydinreaktion vuonna 1917 , joka pommitti typpiatomien ytimiä α- hiukkasilla . Se korjaantui sekundaaristen ionisoivien hiukkasten ilmaantumisen myötä , joiden alue kaasussa on suurempi kuin α-hiukkasten alue ja jotka tunnistettiin protoneiksi . Myöhemmin tästä prosessista otettiin valokuvia pilvikammion avulla .
Vuorovaikutusmekanismin mukaan ydinreaktiot jaetaan kahteen tyyppiin:
Jos törmäyksen jälkeen alkuperäiset ytimet ja hiukkaset säilyvät eikä uusia synny, reaktio on elastinen sironta ydinvoimien alueella , johon liittyy vain hiukkasen ja kohteen liike-energian ja liikemäärän uudelleenjakautuminen. ydin, ja sitä kutsutaan potentiaalisironnaksi [1] [2] .
Niels Bohr kehitti teorian reaktiomekanismista yhdisteytimen muodostumiseen vuonna 1936 [3] yhdessä ytimen pudotusmallin teorian kanssa, ja se on nykyaikaisten käsitysten taustalla suuresta osasta ydinreaktioista.
Tämän teorian mukaan ydinreaktio etenee kahdessa vaiheessa. Alussa alkuhiukkaset muodostavat väliytimen (yhdistelmäytimen) ydinajassa , eli siinä ajassa , joka tarvitaan hiukkasen ylittämiseen ytimen läpi, joka on suunnilleen 10 -23 - 10 -21 s . Tässä tapauksessa yhdisteydin muodostuu aina viritetyssä tilassa, koska siinä on hiukkasen ytimeen tuomaa ylimääräistä energiaa yhdisteytimen nukleonin sitoutumisenergian muodossa ja osa sen liike-energiasta , joka on yhtä suuri kuin massaluvun omaavan kohdeytimen ja järjestelmän hitauskeskuksessa olevan hiukkasen kineettisen energian summa .
Vapaan nukleonin absorptiossa muodostuneen yhdisteytimen viritysenergia on yhtä suuri kuin nukleonin sitoutumisenergian ja osan sen liike-energiasta summa :
Useimmiten ytimen ja nukleonin massojen suuresta erosta johtuen se on suunnilleen yhtä suuri kuin ydintä pommittavan nukleonin kineettinen energia.
Keskimäärin sitoutumisenergia on 8 MeV, joka vaihtelee syntyvän yhdisteytimen ominaisuuksien mukaan, mutta tietyille kohdeytimille ja nukleoneille tämä arvo on vakio. Pommittavan hiukkasen kineettinen energia voi olla mikä tahansa, esimerkiksi kun ydinreaktioita viritetään neutroneilla, joiden potentiaalilla ei ole Coulombin estettä , arvo voi olla lähellä nollaa. Sitoutumisenergia on siis yhdisteytimen minimiviritysenergia [1] [2] .
Siirtyminen virittymättömään tilaan voidaan suorittaa useilla tavoilla, joita kutsutaan reaktiokanaviksi . Tulevien hiukkasten ja ytimien tyypit ja kvanttitila ennen reaktion alkamista määräävät reaktion tulokanavan . Reaktion päättymisen jälkeen syntyneiden reaktiotuotteiden ja niiden kvanttitilojen kokonaisuus määrää reaktion lähtökanavan . Reaktiolle on täysin tunnusomaista tulo- ja lähtökanavat.
Reaktiokanavat eivät riipu yhdisteytimen muodostumismenetelmästä, mikä selittyy yhdisteytimen pitkällä käyttöiällä, se näyttää "unottavan" kuinka se muodostui, siksi yhdisteytimen muodostuminen ja hajoaminen voidaan pitää itsenäisinä tapahtumina. Se voidaan esimerkiksi muodostaa yhdisteytimenä viritetyssä tilassa jossakin seuraavista reaktioista:
Myöhemmin saman viritysenergian olosuhteissa tämä yhdisteydin voi hajota minkä tahansa näistä reaktioista käänteisellä tavalla, tietyllä todennäköisyydellä, riippumatta tämän ytimen alkuperähistoriasta. Yhdistetyn ytimen muodostumisen todennäköisyys riippuu energiasta ja kohdeytimen tyypistä [2] .
Ydinreaktioiden kulku on mahdollista myös suoran vuorovaikutuksen mekanismin kautta, periaatteessa tällainen mekanismi ilmenee pommittavien hiukkasten erittäin korkeilla energioilla, kun ytimen nukleoneja voidaan pitää vapaina. Suorat reaktiot eroavat yhdisteytimen mekanismista ennen kaikkea tuotehiukkasten liikemäärävektorien jakautumisella suhteessa pommittavien hiukkasten liikemäärään. Toisin kuin yhdisteytimen mekanismin pallosymmetria , suoralle vuorovaikutukselle on ominaista vallitseva reaktiotuotteiden lentosuunta eteenpäin suhteessa osuvien hiukkasten liikesuuntaan. Myös tuotehiukkasten energiajakaumat ovat näissä tapauksissa erilaisia. Suoralle vuorovaikutukselle on ominaista korkeaenergisten hiukkasten ylimäärä. Törmäyksissä monimutkaisten hiukkasten ytimien (eli muiden ytimien) kanssa nukleonien siirtoprosessit ytimestä ytimeen tai nukleonien vaihto ovat mahdollisia. Tällaiset reaktiot tapahtuvat ilman yhdisteytimen muodostumista ja niillä on kaikki suoran vuorovaikutuksen piirteet [1] .
Reaktion todennäköisyys määräytyy reaktion ns. ydinpoikkileikkauksen mukaan. Laboratorion vertailukehyksessä (jossa kohdeydin on levossa) vuorovaikutuksen todennäköisyys aikayksikköä kohti on yhtä suuri kuin poikkileikkauksen (ilmaistuna pinta-alayksiköinä) ja osuvien hiukkasten vuon (ilmaistuna hiukkaset, jotka ylittävät pinta-alayksikön aikayksikköä kohti). Jos yhdelle tulokanavalle voidaan toteuttaa useita lähtökanavia, niin reaktion lähtökanavien todennäköisyyksien suhde on yhtä suuri kuin niiden poikkileikkausten suhde. Ydinfysiikassa reaktion poikkileikkaukset ilmaistaan yleensä erikoisyksiköinä - latoina , jotka vastaavat 10 −24 cm².
Reaktion tapahtumien lukumäärää jaettuna kohdetta pommittavien hiukkasten lukumäärällä kutsutaan ydinreaktion saannoksi . Tämä arvo määritetään kokeellisesti kvantitatiivisissa mittauksissa. Koska saanto liittyy suoraan reaktion poikkileikkaukseen, saannon mittaus on olennaisesti reaktion poikkileikkauksen mittaus [1] [2] .
Ydinreaktioissa kaikki klassisen fysiikan säilymislait täyttyvät . Nämä lait rajoittavat ydinreaktion mahdollisuutta. Energeettisestikin suotuisa prosessi osoittautuu aina mahdottomaksi, jos siihen liittyy jonkin suojelulain rikkominen. Lisäksi on olemassa mikromaailmalle ominaisia säilyttämislakeja; jotkut niistä ovat aina voimassa, sikäli kuin tiedetään ( baryoniluvun säilymislaki , leptonluku ); muut säilymislait ( isospin , pariteetti , kummallisuus ) vain tukahduttavat tiettyjä reaktioita, koska ne eivät täyty joihinkin perusvuorovaikutuksiin . Säilytyslakien seuraukset ovat niin sanotut valintasäännöt , jotka osoittavat tiettyjen reaktioiden mahdollisuuden tai kiellon.
Jos ovat kahden hiukkasen kokonaisenergiat ennen reaktiota ja reaktion jälkeen, niin energian säilymislain perusteella:
Kun muodostuu enemmän kuin kaksi hiukkasta, tämän lausekkeen oikealla puolella olevien termien lukumäärän tulisi olla vastaavasti suurempi. Hiukkasen kokonaisenergia E on yhtä suuri kuin sen massan (energiaekvivalentteina) Mc 2 ja kineettisen energian K summa , joten:
Hiukkasten kokonaiskineettisten energioiden välistä eroa reaktion "ulostulossa" ja "sisääntulossa" Q = ( K 3 + K 4 ) − ( K 1 + K 2 ) kutsutaan reaktioenergiaksi (tai reaktion energian saantoon). reaktio ). Se täyttää ehdot:
Kerroin 1/ c 2 jätetään yleensä pois laskettaessa energiatasetta ilmaisemalla hiukkasten massat energiayksiköissä (tai joskus energia massayksiköissä).
Jos Q > 0, niin reaktioon liittyy vapaan energian vapautuminen ja sitä kutsutaan eksoenergiaksi , jos Q < 0, niin reaktioon liittyy vapaan energian absorptio ja sitä kutsutaan endoenergeettiseksi .
On helppo nähdä, että Q > 0, kun tuotehiukkasten massojen summa on pienempi kuin alkuhiukkasten massojen summa, eli vapaan energian vapautuminen on mahdollista vain pienentämällä reagoivien hiukkasten massoja hiukkasia. Ja päinvastoin, jos toissijaisten hiukkasten massojen summa ylittää alkuperäisten hiukkasten massojen summan, niin tällainen reaktio on mahdollista vain, jos tietty määrä kineettistä energiaa käytetään lepoenergian lisäämiseen, eli uusien hiukkasten massat. Tulevan hiukkasen kineettisen energian minimiarvoa, jolla endoenergeettinen reaktio on mahdollinen, kutsutaan kynnysreaktioenergiaksi . Endoenergeettisiä reaktioita kutsutaan myös kynnysreaktioksi, koska ne eivät tapahdu kynnyksen alapuolella olevilla hiukkasenergioilla.
Hiukkasten kokonaisliikemäärä ennen reaktiota on yhtä suuri kuin hiukkasten reaktiotuotteiden kokonaisliikemäärä. Jos , , , ovat kahden hiukkasen liikemäärävektorit ennen ja jälkeen reaktion, niin
Jokainen vektoreista voidaan mitata itsenäisesti kokeellisesti, kuten magneettisella spektrometrillä . Kokeelliset tiedot osoittavat, että liikemäärän säilymislaki pätee sekä ydinreaktioissa että mikrohiukkasten sirontaprosesseissa.
Kulmamomentti säilyy myös ydinreaktioissa. Mikrohiukkasten törmäyksen seurauksena muodostuu vain sellaisia yhdisteytimiä , joiden kulmamomentti on yhtä suuri kuin jokin mahdollisista momentin arvoista, jotka saadaan laskemalla yhteen hiukkasten sisäiset mekaaniset momentit ( spinnit ) ja momentti. niiden suhteellisesta liikkeestä (kiertomomentti). Yhdistetyn ytimen hajoamiskanavat voivat myös olla vain sellaisia, että kokonaiskulmaliikemäärä (spin- ja kiertomomenttien summa) säilyy.
Ydinvuorovaikutukset hiukkasten kanssa ovat luonteeltaan hyvin erilaisia, niiden tyypit ja tietyn reaktion todennäköisyydet riippuvat pommittavien hiukkasten tyypistä, kohdeytimistä, vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ja ytimien energioista ja monista muista tekijöistä.
Ydinfissioreaktio on prosessi, jossa atomiydin jaetaan kahdeksi (harvemmin kolmeksi) ytimeksi, joilla on samanlaiset massat, joita kutsutaan fissiofragmenteiksi. Fission seurauksena voi syntyä myös muita reaktiotuotteita: kevyitä ydinytimiä (pääasiassa alfahiukkasia ), neutroneja ja gamma-kvantteja . Fissio voi olla spontaania (spontaania) ja pakotettua (johtuen vuorovaikutuksesta muiden hiukkasten, pääasiassa neutronien kanssa). On kuitenkin huomattava, että spontaanit prosessit eivät yleensä kuulu ydinreaktioihin, joten ydinreaktio on vain pakkofissio (neutronien sieppauksen aikana, valofissio jne.) Raskaiden ytimien fissio on eksoenergeettinen prosessi, jonka seurauksena suuri määrä energiaa vapautuu reaktiotuotteiden kineettisen energian sekä säteilyn muodossa.
Ydinfissio toimii energialähteenä ydinreaktoreissa ja ydinaseissa .
Ydinfuusioreaktio on kahden atomiytimen fuusioprosessi, jolloin muodostuu uusi, raskaampi ydin.
Uuden ytimen lisäksi fuusioreaktion aikana muodostuu yleensä myös erilaisia alkuainehiukkasia ja (tai) sähkömagneettisen säteilyn kvantteja .
Ilman ulkoisen energian syöttöä ytimien fuusio on mahdotonta, koska positiivisesti varautuneissa ytimissä on sähköstaattisia hylkimisvoimia - tämä on niin kutsuttu " Coulombin este ". Ytimen syntetisoimiseksi on tarpeen tuoda ne lähemmäksi noin 10 −15 m etäisyyttä, jolla voimakas vuorovaikutus ylittää sähköstaattiset hylkimisvoimat. Tämä on mahdollista, jos lähestyvien ytimien kineettinen energia ylittää Coulombin esteen.
Tällaisia ehtoja voi esiintyä kahdessa tapauksessa:
Termoydinreaktio on kahden atomiytimen fuusio, jossa muodostuu uusi, raskaampi ydin niiden lämpöliikkeen kineettisen energian vuoksi .
Ydinfuusioreaktiossa alkuytimillä on oltava suhteellisen suuri kineettinen energia, koska ne kokevat sähköstaattista repulsiota, koska ne ovat positiivisesti varautuneet samalla nimellä.
Kineettisen teorian mukaan aineen liikkuvien mikrohiukkasten (atomien, molekyylien tai ionien) kineettinen energia voidaan esittää lämpötilana, ja siksi ainetta kuumentamalla voidaan saada aikaan ydinfuusioreaktio.
Tähtien luonnollisen nukleosynteesin ydinreaktiot etenevät samalla tavalla.
Fuusioreaktiot kevyiden alkuaineiden ytimien välillä rautaan asti ovat eksoenergeettisiä, mikä liittyy mahdollisuuteen käyttää niitä energia-alalla , mikäli termoydinfuusion hallintaongelmaa ratkaistaan .
Ensinnäkin, niiden joukossa on huomattava vedyn kahden isotoopin ( deuterium ja tritium ) välinen reaktio, joka on hyvin yleinen maan päällä, jonka seurauksena muodostuu heliumia ja vapautuu neutroni. Reaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:
+ energia (17,6 MeV) .Vapautunut energia (johtuen siitä, että helium-4:llä on erittäin vahvat ydinsidokset) muunnetaan liike-energiaksi, josta suurin osa, 14,1 MeV, vie neutronin mukanaan kevyempänä hiukkasena [5] . Tuloksena oleva ydin on tiukasti sidottu, minkä vuoksi reaktio on niin voimakkaasti eksoenergeettinen. Tälle reaktiolle on tunnusomaista alhaisin Coulombin esto ja korkea saanto, joten se on erityisen kiinnostava kontrolloidussa lämpöydinfuusiossa [1] .
Termoydinreaktiota käytetään myös lämpöydinaseissa .
Kun gammasäde absorboituu, ydin saa ylimääräistä energiaa muuttamatta sen nukleonikoostumusta, ja ydin, jossa on ylienergiaa, on yhdisteydin . Kuten muutkin ydinreaktiot, gamma-kvantin absorptio ytimeen on mahdollista vain, jos tarvittavat energia- ja spin - suhteet täyttyvät. Jos ytimeen siirtyvä energia ylittää ytimessä olevan nukleonin sitoutumisenergian , niin muodostuvan yhdisteytimen hajoaminen tapahtuu useimmiten nukleonien, pääasiassa neutronien , emission yhteydessä . Tällainen hajoaminen johtaa ydinreaktioihin, joita kutsutaan fotoytimeiksi , ja nukleoniemissioilmiö näissä reaktioissa on ydinvoiman valosähköinen vaikutus .
Ydinreaktiot kirjoitetaan erityisten kaavojen muodossa, joissa atomiytimien ja alkuainehiukkasten nimitykset esiintyvät .
Ensimmäinen tapa kirjoittaa kaavoja ydinreaktioihin on samanlainen kuin kemiallisten reaktioiden kaavojen kirjoittaminen , eli alkuhiukkasten summa kirjoitetaan vasemmalle, tuloksena olevien hiukkasten (reaktiotuotteiden) summa kirjoitetaan oikealle, ja niiden väliin asetetaan nuoli.
Siten kadmium-113-ytimen neutronin säteilysieppauksen reaktio kirjoitetaan seuraavasti:
Näemme, että protonien ja neutronien määrä oikealla ja vasemmalla pysyy samana ( baryoniluku säilyy). Sama koskee sähkövarauksia, leptonlukuja ja muita suureita ( energiaa , liikemäärää , kulmaliikemäärää , ...). Joissakin reaktioissa, joissa on mukana heikko vuorovaikutus , protonit voivat muuttua neutroneiksi ja päinvastoin, mutta niiden kokonaismäärä ei muutu.
Toinen , ydinfysiikkaan sopivampi kirjoitustapa on muotoa A (a, bcd ...) B , jossa A on kohdeydin, a on pommittava hiukkanen (mukaan lukien ydin), b, c, d, ... ovat emittoituja hiukkasia (mukaan lukien ydin), B on jäännösydin. Reaktion kevyemmät tuotteet kirjoitetaan suluissa, raskaammat tuotteet ulkopuolelle. Joten yllä oleva neutronien sieppausreaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:
Reaktiot on usein nimetty suluissa olevien tapahtuvien ja emittoituneiden hiukkasten yhdistelmän mukaan; niin, tyypillinen esimerkki ( n , γ) -reaktiosta on kirjoitettu yllä.
Ensimmäinen typen pakotettu ydinmuunnos hapeksi , jonka Rutherford suoritti pommittamalla typpeä alfahiukkasilla , on kirjoitettu kaavaksi
missä on vetyatomin ydin , protoni ."Kemiallisessa" merkinnässä tämä reaktio näyttää tältä
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|