Ядерна реакція
 

Ядерна реакція - явище перетворення ядер атомів хімічних елементів і елементарних частинок. Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно, або у зіткненнях частинок речовини з високою енергією. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природноїрадіоактивності.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічними й екзотермічними.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра. Терміни розпад ядра і поділ ядра означають зовсім різні типи реакцій.

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою:   .

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, важчі ядра.

Зазвичай реакції синтезу можливі тільки за умов, коли ядра мають велику кінетичну енергію, оскільки сили електростатичного відштовхування перешкоджають зближенню однаково заряджених ядер, створюючи так званий кулонівський бар'єр.

Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок , в яких іони, протони або α-частинки прискорюють електричним полем, або термоядерних реакторів, де іони речовини набувають кінетичної енергії за рахунок теплового руху. В останньому випадку мову ведуть про реакцію термоядерного синтезу.

У природі реакції синтезу розпочалися у перші хвилини після Великого вибуху. Під час первинного нуклеосинтезу з протонів утворилися лише деякі найлегші ядра (дейтерію, гелію, літію).
Наразі ядерні реакції відбуваються у ядрах зір, наприклад, у Сонці. Основним процесом є утворення ядра гелію з чотирьох протонів, що може відбуватися або впротон-протонному ланцюжку, або в циклі Бете-Вайцзекера.

У зорях, маса яких перевищує половину м. Сонця, можуть утворюватися й інші, важчі елементи. Цей процес розпочинається з утворення ядер вуглецю у потрійній α-реакції. Утворені ядра взаємодіють із протонами та α-частинками і, таким чином, утворюються хімічні елементи аж до залізного піка.

Утворення важчих ядер (від заліза до бісмуту) відбувається у оболонках досить масивних зір на стадії червоного гіганта здебільшого завдяки s-процесу та, частково, завдяки p-процесу. Найважчі (нестабільні) ядра утворюються під час спалахів наднових.

Невелика кількість ізотопів здатна до поділу — реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під дією інших частинок, здебільшого — нейтронів.

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

Механізм ядерної реакції поділу полягає у наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається піон-нуклонна взаємодія), мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами у ядрі, особливо в багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів у ядрі це зумовлює асиметрію густини ядерних сил та подальшу асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, й асиметрію енергії по об'єму ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від кулястої. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні за масою.

Іноді ядро може тунелювати у стан з меншою енергією.

Ядерний реактор та атомна бомба: невелика кількість ізотопів здатна до поділу — реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під дією інших частинок, здебільшого — нейтронів.

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

  Механізм ядерної реакції поділу полягає у наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками   (у  більшості випадків відбувається піон-нуклонна взаємодія), мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не    можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами у ядрі, особливо в багатонуклонних ядрах. При великій кількості        нуклонів у ядрі це зумовлює асиметрію густини ядерних сил та подальшу асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, й  асиметрію  енергії по об'єму ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від кулястої. У такому разі  електростатична взаємодія  між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

 Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні за  масою.

 Іноді ядро може тунелювати у стан з меншою енергією. Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер у ХХ столітті почали  застосовувати в атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції потрібно мати критичну масу(масу, необхідну    для розвитку ланцюгової реакції), то для здійснення атомного вибуху декілька частин з масами, що менші за критичну,          поєднуються, утворюється надкритична маса і в ній виникає ланцюгова реакція поділу, що супроводжується вивільненням   великої кількості енергії — відбувається атомний вибух.