Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 22 из 63)

Например:

N + α → O +

p

2. Закон сохранения числа нуклонов.

«Общее количество нуклонов в ядрах и частицах, вступающих в реакцию, равно количеству нуклонов в ядрах и частицах , получающихся при реакции, т.е. сумма верхних индексов до и после реакции одинакова». Закон сохранения числа нуклонов позволяет установить массовое число конечного ядра и в совокупности с предыдущим законом полностью определить характеристику нуклида, получающегося при ядерной реакции. Например:

C +

р → N +g

Закон сохранения энергии.

Применительно к ядерным реакциям закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:

«Полная энергия всех ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна полной энергии всех ядер и частиц ,получающихся при реакции».

Тепловой эффект ядерной реакции соответствует выраженной в энергетических единицах разности масс покоя продуктов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции

ΔЕ = с² ( ∑m₁ – ∑m₂) МэВ, (6.1)

где ∑m₁ и ∑m₂ - суммы масс покоя исходных и образующихся ядер и частиц соответственно.

Выделившуюся или поглощенную энергию в ядерных реакциях выражают в электрон-вольтах, чаще в мегаэлектронвольтах (1 МэВ=10⁶).

Например:

Ni+ a→

Zn + 2

n

ΔЕ = c²(63,9536+4,003870) - (61,9536+2·1,00) = -0,112·931МэВ

Ядерные реакции записываются так же, как и химические реакции: в левой части уравнения ставят символы реагирующих частиц, в правой - символы образующихся продуктов. Около каждого символа указывается массовое число, а иногда и заряд. Например:

Al + a → P + n

В общем виде ядерную реакцию записывают:

А + а → В + в,

где А – мишень (исходное ядро),

а - бомбардирующая частица,

в - вылетающая в результате реакции частица,

В - образующееся новое ядро (конечное ядро).

Часто употребляют сокращенную запись ядерных реакций, при которой между символами исходного и конечного ядер ставят в круглых скобках символы бомбардирующей и вылетающей частицы:

А (а, в) В, или ¹⁴N (a, p) ¹⁷O

В то же время между ядерными и химическими реакциями имеются существенные отличия:

В химических реакциях рассматриваются превращения весовых количеств вещества, в ядерных - отдельных атомов. Поэтому ядерные реакции всегда относят к 1 атому, а химические к 1 молю вещества. В соответствии с этим выделившуюся или поглощенную энергию в ядерных реакциях выражают в электронвольтах, чаще всего в мегаэлектронвольтах ( 1 МэВ= 1∙10⁶ эВ ), в то время как в химических реакциях ее указывают в Джоулях на моль( 96 кДж/моль соответствует 1 эВ/атом).

В химических реакциях не происходит превращения элементов. Химические реакции сопровождаются изменением связи между атомами. В ядерных реакциях образуются новые нуклиды, которые могут принадлежать различным элементам;

В химических реакциях, как правило, выделяется значительно меньше энергии, чем в ядерных реакциях, которые сопровождаются превращением значительной части материи в энергию. Например, при делении 1 г ³²⁵U выделяется 8,4·10⁷ кДж по сравнению с 33,9 кДж, которые выделяются при сгорании 1 г угля.

7.3 Основные характеристики ядерных реакций

7.3.1ВЫХОД ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

В отличие от химических реакций, при которых исходные вещества, взятые в эквивалентных количествах, реагируют практически нацело, ядерную реакцию вызывает лишь небольшая доля частиц из общего потока, пронизывающего бомбардируемую мишень. Это происходит прежде всего из- за малых размеров атомного ядра(10^-14м), по сравнению с размерами всего атома, вследствие чего вероятность соударения бомбардирующей частицы и ядра, приводящего к ядерной реакции, крайне мала. Из миллиона попадающих на мишень ускоренных частиц не более одной вступает в ядерное взаимодействие. Остальные рассеивают свою энергию на электронах атомов мишени и замедляются до скоростей, при которых реакция становится невозможной

Поэтому важной характеристикой ядерной реакции является ее эффективность, или выход реакции (Y), т.е. отношение числа частиц, принимающих участие в ядерном превращении (N_r), к общему числу бомбардирующих частиц (N_o).

, (6.2)

где Y - выход ядерной реакции;

N_r- число частиц, принимающих участие в ядерном превращении;

N_o- общее число бомбардирующих частиц;

Значение Y зависит от типа реакции, от энергии падающих частиц, типа мишени, геометрии. Значением Y может иметь значение от 0 до 1.

7.3.2 ЭФФЕКТИВНОЕ СЕЧЕНИЕ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Чтобы рассчитать выход ядерной реакции, надо знать вероятность того, что частица столкнется с атомным ядром и при этом произойдет интересующая нас реакция. Вероятность того, что два ядра вступят во взаимодействие, характеризуется эффективным сечением реакции(s).

Эффективное сечение ядерной реакции – это площадь поперечного сечения ядра, в которое должно «попасть» другое ядро, чтобы произошло их взаимодействие

Число частиц, принявших участие в ядерной реакции можно найти из уравнения:

N_r = N_0·( 1- e^-

) (6.3)

где N_r- число частиц, принявших участие в ядерной реакции;

N₀ –число частиц, падающих на мишень;

n₀ – число ядер мишени в 1 м³;.

– толщина мишени в м

Функцию e^-

можно разложить в ряд :

e^-

= 1 -

+ -…..

Если пучок нейтронов падает на тонкую мишень, т. е. такую, при прохождении через которую интенсивность пучка практически не меняется, а показатель степени

мал, в разложении можно ограничиться только первыми двумя членами. Тогда уравнение () можно записать:

N_r = N_0·n_0·σ·х (6.4)

Отсюда,

Каждая ядерная реакция характеризуется своим эффективным сечением.

Отсюда следует, чем более вероятен процесс, тем больше его эффективность и поперечное сечение. Эффективные сечения ядерных реакций имеют значения от 10^-22 до 10^-44м².

Эффективное сечение реакции лишь по названию и размерности напоминает геометрическое сечение ядра. Фактически же - это условная величина, определяющая вероятность ядерной реакции при данных условиях.

Число нейтронов, проходящих через единицу объема в единицу времени, называется нейтронным потоком Ф.

Скорость любой нейтронной реакции можно выразить через произведение полного потока нейтронов на макроскопическое сечение:

.

Кроме понятия выхода реакции, существует понятие плотность потока (или поток), обозначается Ф и представляет собой число частиц N , падающих на 1м² площади S в единицу времени t(с) - (

):

Ф =

(6.5)

7.4 Классификация ядерных реакций

В зависимости от природы бомбардирующей частицы и частицы, выбиваемой из ядра, ядерные реакции делят на типы. Так, говорят об (a,р)-реакции, (a,n)-реакции и т.д.

Сводка некоторых основных типов ядерных реакций представлена в таблице

Таблица. Основные типы ядерных реакций

Частицы, вызывающиеядерные реакции	Частицы, получающиеся в результате ядерных реакций
	a	t	d	p	n	g
a	(a, a)	(a, t)	(a, d)	(a, p)	(a, n)	(a, g)
t	(t, a)	(t, t)	(t, d)	(t, p)	(t, n)	(t, g)
d	(d, a)	(d, t)	(d, d)	(d, p)	(d, n)	(d, g)
p	(p, a)	(p, t)	(p, d)	(p, p)	(p, n)	(p, g)
n	(n, a)	(n, t)	(n, d)	(n, p)	(n, n)	(n, g)
g	(g, a)	(g, t)	(g, d)	(g, p)	(g, n)	(g, g)

7.5 Ядерные реакции и образование радионуклидов в природе