Ядролық реакция

Ядролық реакция – атом ядросының элементар бөлшектермен немесе басқа бір атом ядросымен әсерлесуі кезінде түрленуі. Әдетте ядролық реакцияға 4 бөлшек қатынасады: оның екеуі бастапқы бөлшек болып есептеледі де, ал қалған екеуі ядролық реакцияның нәтижесінде түзіледі. Реакция кезінде түзілген бөлшектің саны кейде 2-ден артық болуы да мүмкін. Лабораториялық жағдайда ядролық реакция нысана ретінде алынған ауыр атом ядросымен (не бөлшекпен) атқылау арқылы жүргізіледі. Ядролық реакция химиялық реакцияларға ұқсас және оның жазылуы (өрнектің сол жақ бөлшегінде реакцияға қатысатын бөлшектер, ал оң жақ бөлігінде реакция нәтижесінде түзілетін бөлшектер): а+Ав+В, мұндағы а – атқылайтын бөлшек (не ядро), А – нысана ядро, в– ұшып шыққан бөлшек (не ядро), В – реакция нәтижесінде түзілген соңғы ядро (ядро-өнім). Реакцияның толық теңдеуінде реакцияға қатысатын және реакция нәтижесінде түзілетін ядролардың зарядтары мен массалық сандары да көрсетіледі. Ядролық реакцияны жазудың төмендегідей қысқа түрі де пайдаланылады: А (а, в) В, мұнда бастапқы нысана ядро мен соңғы ядро таңбасының арасындағы жақша ішінде алдымен атқылаушы бөлшектің, содан кейін оның қасына реакция кезінде ұшып шығатын бөлшектің таңбасы көрсетілген. Мысалы, лабораториялық жағдайында Э.Резерфорд жүзеге асырған алғашқы ядролық реакция (альфа-бөлшектермен атқыланған азот ядросының түрлену реакциясы) төмендегіше жазылады: немесе қысқаша: 14N(α, р)17О, мұндағы α-бөлшек (42N), ал р–протон (11Н).

Атқылайтын бөлшектен (не ядромен) (α) нысана ядроның төмендегідей құбылыстар байқалуы мүмкін:

• Серпімді шашырау [а+А>а+А немесе А (а, а)А] кезінде өзара әсерлесетін ядролардың не құрамы, не ішкі энергиясы, не олардың басқа да сипатталамалары өзгермейді, тек серпімді соққы заңына сәйкес кинетикалық энергия бөлшектер (не ядролар) арасында қайта бөлінеді.
• Серпімсіз шашырау [а+А> а‘+А* немесе А (а, а‘) А* ] кезінде өзара әсерлесетін ядролардың құрамы өзгермейді, бірақ атқылайтын бөлшектің кинетикалық энергиясының белгілі бір бөлігі нысана ядроны қоздыруға жұмсалады. Реакция теңдеуінде қозған ядро бастапқы ядро сияқты А таңбасы арқылы белгіленеді де, оның жоғары оң жақ бұрышына жұлдызша таңбасы қойылады; ал кинетикалық энергиясының белгілі бір бөлігін жоғалтқан бөлшек не ядро атқылайтын бөлшек сияқты α таңбасы арқылы белгіленіп, оның жоғары оң жақ бұрышына штрих таңбасы қойылады.
• Ядролық реакция [а+Ав+В немесе А(а,в)В] кезінде өзара әсерлесетін ядролардың ішкі қасиеттері мен құрамы өзгереді немесе элементар бөлшектер бір-біріне түрленеді.
  

Ядролық реакциялардың ықтималдығы эффективтік көлденең кимамен сипатталады. Көбіне ядролық реакциялардың ықтималдығы ядролық реакция шығымымен (яғни белгілі бір нысанадағы ядролық түрленулер санының осы нысанаға түскен атқылайтын бөлшектер санына қатынасы) сипатталады. Ядролық реакциялардың эффективтік көлденең қимасының атқылайтын бөлшектердің энергиясына тәуелділігін сипаттайтын функция ядролық реакциялардың қозу функциясы деп аталады. Ядролық реакция сондай-ақ жылудық эффект арқылы да сипатталады. Жылулық эффект – ядролық реакцияға қатысатын және ядролық реакция нәтижесінде түзілетін ядролардың тыныштық массаларының айырмасына тең. Ол энергетикалық. бірлікпен (көбіне МэВ) өрнектеледі. Егер жылулық эффект оң болса, онда ядролық реакция энергияны сыртқа шығара отырып жүреді. Мұнда ядролық реакция эквотермиялық ядролық реакция деп аталады. Егер жылулық эффект теріс болса, онда ядролық реакцияның жүру үшін реакцияға қатысатын ядролардың салыстырмалы қозғалысының энергиясы жылулық эффектіден кем болуға тиіс. Ядролық реакциялардың маңызды сипаттамаларның бірі – ядролық түрлену нәтижесінде пайда болған бөлшектердің шығу бұрышы мен энергиясы бойынша тарала бөлінуі. Ядролық реакциялар әдетте атқылайтын бөлшектердің (не ядролардың) табиғатына қарай жүктеледі: мысалы, нейтрондар, протондар, дейтрондар, α-бөлшектер, көп зарядты (ауыр) иондар, γ-кванттар әсерінен болатын ядролық реакциялар. Реакциялардың кейбір түрі түрлену сипатына қарай жүктеледі: мысалы, кулондық қозу (ядро энергиясының атқылайтын бөлшектерінің электрстатикалық өрісі әсерінен артуы), атом ядросының бөлшектенуі, т.б.

Ядролық ракетты қозғалтқыш тестілеу стендінде

Энергияның, импульстың, қозғалыс мөлшері моментінің сақталу заңдары ядролық реакциялардың кейбір сипаттамасы (жылулық эффект, т.б.) жөнінде болжам жасауға мүмкіндік береді. Дегенмен ядролық реакциялардың дәлірек сипаттамаларын (мысалы, әр түрлі ядролық реакциялардың эффективтік көлденең қимасы, т.б.) анықтау үшін ядролық реакциялар теориясы падаланылады. Ядролық реакциялардың қазіргі теориясының негізін 20 ғ-дың 30-жылдары Н.Бор қалаған. Оның ұсынған тұжырымына сәйкес ядролық реакция (а+АвВ) екі кезеңнен тұрады: бірінші кезеңде реакцияға қатысатын ядролардың бірігуі нәтижесінде жаңа қозған ядро (С*) пайда болады. Ол аралық немесе құранды ядро (а+А+С*) деп аталады. Екінші кезеңде қозған аралық ядро кәдімгі радиоактивті ыдырау тәрізді (бұл жағдайдағы айырмашылық: ыдырайтын негізгі күйдегі ядро емес, күшті қозған күйдегі ядро) ыдырайды (С*в+В). Көп жағдайда аралық өмір сүру уақыты, атқылайтын бөлшектің нысана ядро өлшемімен (10–12 – 10–13 см) шамалас қашықтық ұшып өтуіне кететін уақытынан бірнеше есе артық болады. Сөйтіп ядролардың бірігу моменті мен ядролық реакция өнімдерінің түзілу моментерінің арасы біраз уақытқа созылатындықтан, атқылайтын бөлшектің таситын энергиясы аралық ядро нуклондарының арасында бірнеше рет қайта бөлінеді. Бұл жағдай ядролық реакцияның екінші кезеңі, ядролық реакцияның бірінші кезеңінің ерекшеліктеріне тәуелсіз екендігін және ол аралық ядроның қасиеттерімен ғана анықталатындығын көрсетеді. Атқылаушы бөлшектердің энергиясы төмен жағдайдағы ядролық реакциялардың ішінде нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар жиі байқалады. Атқылаушы бөлшектердің энергиясы орташа және үлкен болған жағдайда нейтрондар көбіне серпімсіз шашырайды. Ал аса жоғары энергиясы бар бөлшектердің әсерлесуі кезінде мезондар, гиперондар тәрізді элементар бөлшектер де пайда болады. Әр түрлі энергиясы бар бөлшектердің әсерінен пайда болған ядролық реакцияларды зерттеу – атом ядросының құрылысы мен қасиеттерін зерттеудегі маңызды фактор. Жеңіл ядролардың реакцияларын зерттеу жұмысы басқарылатын термоядролық реакцияларды іс жүзіне асыруға көмектеседі. Ал ядролардың бөліну процесін зерттеу ядролық энергетиканың дамуында маңызды рөл атқарады. Ядролық реакторларда алынатын ядролық реакциялар – радиоктивті изотоптардың негізгі көзі.

Түзу ядролық реакция

Түзу ядролық реакция - ұшушы бөлшек энергияны барлык ядро нысанаға емес, осы ядродағы жеке нуклонға немесе нуклондар тобына беретін ядролык реакциялар.