Уважаемые друзья, сегодня я представлю вам очередную лекцию из курса "Элементы атомной и ядерной физики", тема лекции "Ядерные реакции". В сегодняшней лекции мы определим понятия ядерной реакции; поговорим о законах сохранения, которые выполняются в процессе ядерной реакции; проведем классификацию ядерных реакций по типу взаимодействующих частиц; разберем такие понятия как сечение и скорость ядерной реакции. Кроме того мы познакомимся с историей развития ядерной физики и рассмотрим ряд некоторых очень важных специфических реакций, которые определяют в настоящее время развитие нашей земной цивилизации. Итак, что же такое ядерная реакция? Мы все изучали химию и знаем, что такое химическая реакция. Химическая реакция – это взаимодействие химических элементов, в результате которого получается новое вещество. Если следовать формальной логике, то при ядерной реакции должны взаимодействовать ядра элементов, и в процессе этой реакции должны образоваться новые ядра. В действительности так и происходит. Только помимо ядер ядер в ядерных реакциях могут участвовать элементарные частицы: нейтроны, протоны, те частицы которые получаются в результате ядерных распадов: альфа-частицы, гамма-кванты, бета-частицы и ряд других частиц, о которых вы узнаете позднее. Существует особая форма записи ядерных реакций. Прежде всего, как мы записываем данные о ядре, которое принимает участие в ядерной реакции? Ядро атомного элемента мы записываем в виде названия атомного элемента на латыни, причем так же, как он представлен в таблице Менделеева. Верхний левый индекс – это массовое число данного элемента. Он равен количеству нуклонов в ядре (то есть нейтронов и протонов вместе взятых). Нижний индекс – это номер заряда ядра. Он выражает значение числа протонов внутри этого ядра. Частица нейтрон определяется латинской буквой n, гамма-кванты – греческой буквой гамма, протон можно обозначать двумя способами: либо буквой p, либо символом ядра атома водорода H, который содержит одно массовое число (один протон) и один заряд. Альфа-частица, как вы знаете, представляет собой ядро атома гелия, и оно может обозначаться либо буквой альфа (альфа-частица), либо в виде элемента – гелий 4, 2. Сами ядерные реакции записываются двумя способами. Первый способ – химический способ. Ядерная реакция может записываться точно так же, как и химическая реакция. Значок элемента плюс значок частицы, с которой взаимодействует элемент; дальше – стрелка и справа – продукты этой реакции; опять значок элемента, который появился в результате реакции и значок той частицы, которая будет выделяться в процессе реакции. Вторая форма записи специфическая именно для ядерных реакций. Когда ядро взаимодействует с легкой частицей, в результате реакции получается другое ядро и другая легкая частица, то форма записи такова: слева и справа ставятся символы ядер тяжелых элементов, а между ними в скобках через запятую перечисляются легкие частицы. Первая – это та частица, которая участвовала в процессе взаимодействия, вторая – это продукт реакции. И очень часто реакцию называют по совокупности частиц: той, которая участвует в реакции и той, которая получается в результате реакции. Например, взаимодействие кадмий-113 с нейтроном, в результате которого мы поучаем кадмий-114 и гамма-квант. Эта реакция является примером (n, гамма)-реакции. Первую ядерную реакцию в истории осуществил британский физик Эрнест Резерфорд. С именем Резерфорда связаны открытие протона, открытие самого предмета ядерной физики, то есть атомного ядра. Именно он в 1909 году руководил опытами, в результате которых была построена планетарная модель атома. Спустя 10 лет, в 1919 году, он осуществил первую в истории ядерную реакцию. Он облучал азот-14 альфа-частицами, в результате чего получился атом кислорода с массовым числом 17 и неизвестная ранее частица. Потом было выяснено, что эта неизвестная частица является ядром атома водорода и эта элементарная частица одна из тех, из которых состоят все ядра всех элементов. Эту частицу назвали протоном (простейшим). Ее масса примерно равна 1 а.е.м., а заряд равен заряду электрона (только со знаком "плюс"). Мы должны рассмотреть еще один аспект, который свойственен ядерным реакциям. Во взаимодействии участвуют частицы, ядра. Они крайне малы, то есть они не видны невооруженным взглядом. Встает вопрос, каким именно образом исследователи, экспериментаторы могут следить за прохождением ядерной реакции, определять результат этой самой ядерной реакции? К настоящему времени для этого в ядерной физике накоплен достаточно большой инструментарий. Этот инструментарий непрерывно совершенствуется, появляются новые детекторы, новые способы определения элементарных частиц и ядер. В целом все приборы, которые позволяют наблюдать за ядерными реакциями, можно разделить на две достаточно большие группы. Первая группа приборов – это те устройства, которые регистрируют прохождение частиц через участок пространства. Эти приборы позволяют в некоторых случаях определить характеристики частиц: их энергию, заряд и некоторые другие. Примеры таких приборов – это всем известный счетчик Гейгера, сцинтилляционные счетчики (это такой вид детектора, который при взаимодействии с заряженными частицами испускает вспышку света), есть черенковские счетчики (которые используют тот факт, что когда заряженная частица идет со скоростью большей скорости света в среде частица испускает особый вид изучения, названный по имени его открывателя черенковским излучением), импульсная ионизационная камера и некоторые другие приборы. Но значительно более информативные приборы, которые дают возможность экспериментатору узнать больше данный о частице – это приборы, которые дают возможность наблюдать, а в некоторых случаях фотографировать процесс взаимодействия ядерных частиц. Первым таким прибором была камера Вильсона. Принцип действия камеры Вильсона: объем, который наполнен перегретым паром, и когда заряженная частица проходит через этот перегретый пар, то образуются микроскопические пузырьки влаги. И, тем самым, исследователь видит путь прохождения частицы. Именно этот прибор Резерфорд в своих первых опытах и при проведении своей первой ядерной реакции. Когда камеру Вильсона помещают в магнитное поле, то под действием магнитного поля движущиеся заряженные частицы начинают разворачиваться. По фотографии трека этой самой частицы можно определить радиус поворота и по радиусу определить отношение заряда к массе частицы, и тем самым в какой-то степени идентифицировать ту частицу, которая участвует в реакции. На слайде вы как раз видите фотографию камеры Вильсона. В последующем были созданы более совершенные пузырьковые камеры, которые имеют примерно такой же принцип действия, но только вместо перегретого пара используется перегретая жидкость и заряженная частица образует пузырьки газа, проходя через эту жидкость. Есть фотоимульсионный метод, когда физики измеряют длину трека и определяют энергию частицы, которая тормозила в этой фотоэмульсии. Сейчас есть более совершенные приборы, например, искровые счетчики, которые представляют собой совокупность регистрирующего прибора и трекового прибора. Искровой счетчик состоит из нескольких маленьких счетчиков, каждый из которых издает свечение и сигнал в процессе прохождения частицы. И по тому, как частица проходит через этот набор счетчиков экспериментатор может может следить за ее траекторией.