Образование химических элементов в космических телах 1 - страница 9

Рис. 5. Схемы распада некоторых гиперонов. На фотографии, полученной в камере Вильсона, запечатлен распад ламбда-нуль-частицы на протон и пи-минус мезон.

Рис. 6. Структура нуклона: 1 — «сердцевина» нуклона; 2 — оболочка из мезонов.

Под ядерными реакциями понимается взаимодействие различных частиц (нейтронов—_>оn^>1, протонов — р, дейтронов — d, α-частиц, многозарядных ионов, γ-квантов и мезонов) с ядрами химических элементов, что приводит к изменению заряда или массового числа последних. В настоящее время изучено уже более тысячи различных ядерных реакций. Основные их характеристики — порог и сечение реакции.

Рис. 7. Зависимость потенциальной энергии ядра (U) от расстояния между ним и заряженной частицей (R). Стрелкой указано проникновение заряженной частицы с энергией Е, меньшей высоты потенциального барьера.

Чтобы вызвать ядерные превращения, бомбардирующая частица должна прежде всего проникнуть в ядро мишени, преодолев потенциальный барьер, т. е. область с повышенной потенциальной энергией, которая разделяет области с более низкими энергиями. В ядре (рис. 7) потенциальный барьер образуется в результате наложения ядерных сил (выраженных участком MKDC) и кулоновского отталкивания (участок АВ). Высота этого участка, называемого кулоновским барьером, зависит от массового числа атома и природы бомбардирующих частиц. Она может быть определена по формулам:

Так, для альфа-частиц высота кулоновского барьера в углероде составляет около 3 Мэв, в меди —10 Мэв и в свинце— 22 Мэв. Нейтроны не имеют заряда, и поэтому для них не существует кулоновского барьера ядра. Они могут проникать в него при любых малых энергиях. Этим фактом объясняется большая эффективность ядерных реакций с нейтронами. Та минимальная энергия бомбардирующей частицы, ниже которой ядерная реакция уже не может протекать, называется порогом реакции. Обычно порог ядерных реакций с заряженными частицами составляет несколько мегаэлектронвольт.

Другой характеристикой ядерных реакций является величина их эффективного сечения, которая отражает вероятность протекания того или иного ядерного процесса. Если на тонкую мишень падает поток частиц ε с постоянной плотностью и в ней в единицу времени происходит п реакций, то эффективным сечением данной реакции, отнесенным на одно ядро, будет называться величина где q — число ядер в веществе облучаемой мишени;

ε — число частиц на сантиметр квадратный в секунду;

σ — имеет размерность площади.

Как уже отмечалось, величины радиусов атомных ядер лежат в пределах 10^>-13— 10^>-12см, следовательно, площадь геометрического сечения ядер составляет примерно 10^>-25 — 10^>-24см^>2. Величина, равная 10^>-24см^>2, принята за единицу сечения ядерных реакций и называется барном, величина, в тысячу раз меньшая — (10^>-27см^>2), — миллибарном.

Величина эффективного сечения зависит главным образом от энергии и типа бомбардирующих частиц, а также от массового числа облучаемых ядер. Для заряженных частиц с энергией, превышающей энергию кулоновского барьера, сечение реакций все же меньше геометрического и составляет 0,1–0,01 барн.

Наибольшие сечения имеют реакции присоединения тепловых нейтронов — (n, γ) — реакции. Для большинства элементов они равны геометрическим сечениям облученных ядер. Для некоторых изотопов бора, самария, кадмия, гадолиния и других элементов сечение значительно выше. Например, для гадолиния оно составляет 22 000 барн. Наименьшие сечения для таких реакций имеют ядра, обладающие магическим числом нейтронов или протонов, например Са^>40(20 протонов, 20 нейтронов), Zr^>90 (40 протонов, 50 нейтронов), La^>139 (57 протонов, 82 нейтрона) и РЬ^>208 (82 протона и 126 нейтронов). Этот факт также свидетельствует о большой устойчивости таких ядер.

Многие ядерные реакции сопровождаются значительным выделением энергии в том случае, если сумма масс бомбардирующей частицы и ядра мишени больше суммы масс продуктов реакции. Например, энергию ядерной реакции а + b — с + d можно определить по формуле Эйнштейна (4), где

Δm = (т_>а + m_>b) — (т_>с + m_>d).

Один грамм вещества эквивалентен 25 млн.