Ядролык реакциялар

Ядролық реакциялар. Радиоактивтік құбылыс негізінде элементтер ядроларын түрлендіруге мүмкін болады. Энергиясы үлкен, мысалы, α -бөлшектермен атом ядроларын атқылау арқылы жасанды жолмен бір элемент ядросын екі элемент ядросына түрлендіруге болады. Осы құбылысты ядролық реакциялар деп атайды. Ядролық реакцияны ең алғаш 1919 жылы Резерфорд жүзеге асырды. Ол азот атомының ядросын α -бөлшектермен атқылау нəтижесінде оттегі азоты мен протон алды.

+ = +P немесе + = + осы сияқты + = +

қысқаша былай жазуға болады: ()¹⁷O, ()³⁰S

Жасанды ядролық реакцияларды зерттеудің нəтижесінде жаңа қарапайым бөлшек-нейтрон ашылды. Берилийді α -бөлшектермен атқылағанда берилий ядросы α -бөлшектерді жұтып, өзінен нейтрон (n) бөліп шығарады да, көміртегі ядросына айналады.

+ = +

Нейтрон-радиоактивті. Оның жартылай ыдырау периоды - Т=11,7 мин. Ядролық реакция ұғымын əртүрлі түсінуге болады. Ең кең жалпы мəнінде оған ядролық əсерлесудің қатысуымен өтетін кезкелген екі немесе одан көп бөлшектердің (қарапайым немесе күрделі) соқтығысуынан туатын құбылыстарды жатқызады. Бұл тұрғыдан ядролық реакциялар қатарына басқалармен бipгe, мысалы, нуклон-нуклондық шашыратылу, пион нуклондық соқтығысуда жаңа пион тууы жəне т.б. жатады. Бұл тұрғыдан, əрине, ядроның қатысуымен өтетін соқтығысулар да ядролық реакция. Кейде осы ядроның қатысуымен өтетін құбылыстарды ғана ядролық реакция деп түсінеді. Ядролық физикада ядролар да, қарапайым бөлшектер де зерттеледі, сондықтан "ядролық реакция" ұғымын, оның кең мəнінде қолданады. Бұл тарауда ядролық реакциялар олардың тар мəнінде, яғни, ядролар мен кезкелген микробөлшектердің (нуклон, дейтрон, γ-квант, пион, басқа ядро жəне т.б.) соқтығысуынан басталатын құбылыстар есебінде қарастырылады. Ал, қарапайым бөлшектердің өзара соқтығулары тиісті, оларға арналған тарауда беріледі. Тəжірибелерде соқтығулар, көбіне, лабораториялық санақ жүйесінде өтеді. Бұл жүйеде, əлбетте, соқтығысатын бөлшектердің ауыры тыныштық күйінде болады. Оны нысана деп атайды. Жеңілірек бөлшектер оған ұшып келіп тиеді. Оларды оқ деп атайды. Жоғары энергиялы үдеткіштерде өтетін, eкi бөлшекте қозғалыста болатын жүйеде, оларды нысана мен оқ депайырудың, əрине, мəні жоқ. Ядролық реакциялардың пайдалану алқабы əртүрлі. Физиктер оларды жаңа изотоптардың, жаңа бөлшектердің, ядроның əртүрлі күйлерін, қарапайым бөлшектердің қасиеттерін зерттеу үшін қолданады. Олар ядролар мен қарапайым бөлшектердің қасиеттері туралы мəліметтердің негізгі көзі. Ядролық реакцияларды ядролық энергияны өндipy, радиоактивті изотоптар өндіру жəне заттардың элементтік құрамын зерттеуге пайдаланады. Ядролық реакцияларды белгілеудің бipнeшe əдісі бар. Оның ең көрнекі жəне əмбебап түpi, химиялық реакциялардың белгілеуіне ұқсас. Реакцияның бағытын көрсететін сілтеменің сол жағына реакцияға қатысатын бастапқы бөлшектердің қосындысын, ал оң жағына ақырғы бөлшектердің қосындысын жазады. Мысалы, нəтижесінде 2 альфа-бөлшек беретін протон

мен ядросының соқтығысуы

p+ = (1)түрде, дейтрон мен тритонның соқтығысуынан α-бөлшек пен нейтронның тууымен аяқталатын реакция

+ = +n (2)

түрінде жазылады. Əрине, нəтижесінде екіден көп бөлшектер беретін реакциялар да осылай жазылады. Мысалы, кальций ядросынан протон мен нейтронды гамма-кванттың көмегімен ұшырып шығару реакциясы:

= +p+n (3)

Қарапайым бөлшектердің өзара соқтығысуларын да осылайша жазуға болады. Мысалы, нəтижесінде бейтарап пион мен нейтрон беретін протон мен тepic зарядты пионның əсерлесуі

^-+p=n+ ⁰ (4)түрінде жазылады. Тар мəндегі (ядролар қатысатын) реакциялардың басқаша белгілеуі де жиі қолданылады. Жақшаның сол жағына реакцияға қатысатын алғашқы ядро, жақшаның ішіне оған қатысатын үтірмен бөлінген алғашқы жəне ақырғы жеңіл бөлшектер, жақшаның оң жағына ақырғы ядро жазылады. Бұл белгілеуде (1) мен (3) реакциялар

He, K түрінде беріледі. Кейде одан да қысқа жазулар қолданады. Онда реакцияға қатысатын ядролар көрсетілмейді. Мысалы, фото ядролық реакцияны (γ, р), (γ, n) немесе (γ, N), ал ядродан протонды нейтронмен атып шығару реакциясын (n, р) түрінде жазады. Ядролық реакцияның қарқыны мен басқа қасиеттерін сипаттайтын сандық шамалардың ең маңыздыларының бipi оның əсерлік дифференциалдық σ(θ) жəне əсерлік толық σ қималары. Реакцияның толық қимасын көбіне оның қимасы дейді. Бастапқы жəне ақырғы жүйелері екі-екі бөлшектерден тұратын

a+A=b+B (5) реакциясы үшін осы реакция нəтижесінде b (немесе В) бөлшектің полярлық θ (θ а-бөлшектің ұшу бағытынан саналады) жəне азимутал ϕ бұрыштармен анықталатын бағытта бірлік денелік бұрыш ішінде шығарылу ықтималдылығын анықтайды. Нысанаға ағыны F бөлшектер шоғы түссін. Ағын деп бірлік уақыт ішінде бірлік, шоққа перпендикуляр бeттi тесіп өтетін бөлшектер санын атайды. Егер шоқ біртекті жəне оның көлем бірлігінде ni бөлшек, ал олардың нысанаға қатысты жылдамдығы v болса, ағын F = ni v (6) тең. Кейде бұл шаманы ағынның тығыздығы деп те атайды.

Ядролық реакциялардағы сақталу заңдары. Ядролық реакцияларда əртүрлі сақталу заңдары орындалуы тиіс. Ол заңдар бойынша белгілі физикалық шаманың реакцияға дейінгі жəне одан кейінгі мəндері бірдей болуы керек. Шамалардың сақталу талабы, реакцияның ақырғы өнімдерінің сипатына шектеулер қояды. Мұндай шектеулер тыйымдау деп аталады. Ядролық реакцияларда кейбір сақталу заңдары дəл, кейбір сақталу заңдары ішінара орындалады. Ол ядролық реакциялардағы іргелі əсерлесулердің үлесіне тəуелді. Бұл тарауда тар мəніндегі (яғни ядролар қатысатын) ядролық

реакцияларда орындалатын сақталу заңдары қарастырылады.

Ядролық реакциялардың механизмі. Ядролық реакциялар кезінде ядроның

ішінде күрделі құрылымдық өзгерістер өтеді. Ядроның құрылымын

бейнелегендегі сияқты ядролық реакциялар туралы eceптi дəл шешу мүмкін

емес дерлік. Сондықтан, ядроның құрылымын сипаттағанда əртүрлі моделдерді қолданған сияқты, ядролық реакцияларды сипаттау үшін əртүрлі механизмдер қолданады. Ядролық реакциялардың əртүрлі механизмдері ұсынылған. Біз олардың бастыларын қарастырамыз. Бұл бапта олардың жіктелуі қарастырылып, əркайсысы егжей-тегжейлі келесі баптарда талданады. 1936 жылы Нильс Бор ядролық реакцияның құрама ядролық механизмін ұсынды. Ол бойынша ядролық реакция екі кезеңмен өтеді. Бipiншi кезеңде тиетін бөлшек пен нысана ядро құрама ядро құрады. Екінші кезеңде құрама ядро ыдырайды a+A=0=b+B (12)

Əрине, бұл механизмді қолдану үшін құрама ядроның өмipi жеткілікті ұзақ ядролық əсерлесуге тəн τяд = 10^-21c уақытқа қарағанда мəңгі дерлік болуы керек. Құрама ядро арқылы өтетін реакциялардың eкi түpi болады: резонанстық жəне резонанстық емес. Ядролардың қозған күйлеріне (кейбір нық емес ядролардың негізгі күйлеріне де) табиғи ен Г тəн. Ядроның деңгейлерінің арақашықтығы ∆ мен деңгейдің Генінің ара қатынасына байланысты ядроның cпeктpi дискретті (∆ > Г) жəне үздіксіз (∆ < Г) болады. Егер реакция барысында аралық (құрама) ядро спектрдің дискретті бөлігінде туса, реакция резонанстық ал үздіксіз бөлігінде туса резонанстық емес болады. Егер тиетін бөлшектің ядромен əсерлесу уақытты сипаттық ядролық

уақыттан көп үлкен болмаса, əсерлесу механизмі мүлдем басқаша болады. Олардың ішіндегі талдауға ең оңайы тіке реакциялар. Тіке реакцияларда тиетін бөлшектер бip-eкi нуклонмен ғана соқтығысып, басқаларына тимей өтіп кетеді. Мысалы, (р, n) реакциясы кезінде протон бip ғана нейтронға тиіп, оны ядродан жұлып шығаруы мүмкін. Тисе реакциялардың ішінде жұлу (d, p), (d, n) жəне оған қарсы іліктіру (p, d), (n, d) реакцияларын ерекше бөледі.

Тіке реакциялар қатарына тиген бөлшек ядродан бірнеше нуклоннан

тұратын бөлшек жұлып шығаратын жаңқалау реакциясын да жатқызады. Əрине, шектік, құрама ядролық реакциялар мен тіке реакциялардың арасында жататын реакциялар да кездеседі. Ондай реакцияларды тепе-теңдік алдылық реакциялар деп атайды. Ядролық реакциялардың аталғандардан басқа механизмдері де бар. Резонанстар бойынша орташаланған серпімді шашыратылуды оптикалық моделмен түсіндіреді. Онда ядро түсетін бөлшектердің де Бройль толқынын жұта жəне сындыра алатын тұтас орта ретінде қарастырылады. Егер тиетін бөлшек зарядталған жəне ауыр (протондар, альфа-бөлшектер мен əcipece иондалған ауыр ядролар) болса, онда кулондық қоздыру мүмкін болады. Бұл қоздыру кезінде бөлшек ядроға тым жақындамай-ақ оған өзінің кулондық өpicімeн ғана əсер етеді.

Жоғары энергиялы (қатты) гамма-кванттар ядромен соқтығысқанда өтетін, фотоядролық реакциялардың өзіндік ерекше қacиeттepi бар.

Егер тиетін бөлшектің энергиясы жеткілікті жоғары (бірнеше жүз МэВ) болса, онда оның əсерінен, ядро жарылып, көп жарқыншақтар туады. Мұндай процестерді жұлдыздар туу процесі дейді.

Дата добавления: 2015-10-29