Законы сохранения в ядерных реакциях

Ядерной реакцией в широком смысле называют процесс, который происходит в результате взаимодействия нескольких сложных атомных ядер или элементарных частиц. Так же ядерными реакциями называют такие реакции, в которых среди исходных частиц присутствует хотя бы одно ядро, оно стыкается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и создаются новые частицы.

 

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения.

Закон сохранения энергии

Если E1, E2, E3, E4 — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

E1 + E2 = E3 + E4

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc2 и кинетической энергии E, поэтому:

M1c2 + M2c2 + E1 + E2 = M3c2 + M4c2 + E3 + E4

Величина Q, которая называется энергией реакции равна:

Q = (E3 + E4) - (E1 + E2)

поэтому:

M1 + M2) = M3 + M4 + Q/c2

Множитель \( \frac{1}{c^2} \) обычно опускают, при подсчёте баланса либо выражая массы частиц через энергетические единицы, либо энергию в массовых единицах.

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.

Легко заметить, что тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой.

Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если p1, p2, p3, p4 — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то:

p1 + p2 = p3 + p4

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

Закон сохранения механического момента

Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, механический момент которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов частиц и момента их относительного движения. Пути распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся момент количества движения. Никаких исключений из этого правила экспериментально обнаружено не было.

Другие законы сохранения

  • при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
  • при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.
  • при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях под воздействием слабых сил.

Различные классификации ядерных реакций

Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:

  • за природою частиц, которые участвуют в реакции;
  • за массовым числом ядер, которые участвуют в реакции;
  • за энергетическим (тепловым) эффектом;
  • за характером ядерных преобразований.

За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:

  • при малых энергиях ($E\le 1\ кэВ$);
  • при низких энергиях ($1\ кэВ\le E\le 1\ МэВ$);
  • при средних энергиях ($1\ МэВ\le E\le 100\ МэВ$);
  • при значимых энергиях ($100\ МэВ\le E\le 1\ ГэВ)$;
  • при высоких энергиях ($1\ ГэВ\le E\le 500\ ГэВ$);
  • при сверхвысоких энергиях ($E>500\ ГэВ$).

В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:

 



Рисунок 1.

В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:

  • под действием нейтронов;
  • под действием фотонов;
  • под действием заряженных частиц.

За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:

  • на легких ядрах ($A
  • на средних ядрах ($50
  • на массивных ядрах ($A >100$).

За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:

  • радиационный захват;
  • кулоновское возбуждение;
  • деление ядер;
  • реакция взрыва;
  • ядерный фотоэффект.

При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:

  • закон сохранения энергии;
  • закон сохранения импульса;
  • закон сохранения электрического заряда;
  • закон сохранения барионного заряда;
  • закон сохранения лептонного заряда.

Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.

Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q

Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме:

Интересные статьи: