Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Вивчено безліч ядерних реакцій різних типів. Мимовільний розпад радіоактивних ізотопів є ядерною реакцією, у якій вихідним є одне ядро. Відомі й інші ядерні реакції, при яких протон, дейтрон, альфа-частинка, нейтрон або фотон (звичайно гамма-промені) реагують з ядром атома. Продуктами ядерної реакції можуть бути важке ядро та протон, електрон, дейтрон, альфа-частинка, нейтрон, два або кілька нейтронів чи гамма-промені. Крім того, існує й такий важливий клас ядерних реакцій, при яких дуже важке ядро внаслідок приєднання нейтрона стає нестійким і ділиться на дві частини співмірних розмірів, випускаючи при цьому кілька нейтронів. Цей процес поділу вже згадувався в розд. 19 і докладніше описаний у наступному підрозділі цього розділу.
Наведені нижче приклади радіоактивного розпаду підтверджують, наскільки різними можуть бути шляхи розпаду нестійких ядер:
| Період піврозпаду | |
|---|---|
| $${}^{3}_{1}\mathrm{H}_2 \longrightarrow e^{-} + {}^{3}_{2}\mathrm{He}_1 + \bar{\nu}$$ | 12,26 року |
| $${}^{148}_{64}\mathrm{Gd}_{84} \longrightarrow \alpha^{2+} + {}^{144}_{62}\mathrm{Sm}_{82}$$ | 130 років |
| $${}^{15}_{8}\mathrm{O}_7 \longrightarrow \bar{e}^{+} + {}^{15}_{7}\mathrm{N}_8 + \nu$$ | 124 с |
| $${}^{37}_{18}\mathrm{Ar}_{19} + e^{-} \longrightarrow {}^{37}_{17}\mathrm{Cl}_{20} + \nu$$ | 35,0 дня |
| $${}^{5}_{3}\mathrm{Li}_2 \longrightarrow p^{+} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}_2$$ | 10−21 с |
| $${}^{5}_{2}\mathrm{He}_3 \longrightarrow n + {}^{4}_{2}\mathrm{He}_2$$ | 2·10−21 с |
Реакції перших двох типів виявлено для багатьох важких радіоактивних нуклідів. Випускання альфа-частинок спостерігалося також для багатьох багатих на нейтрони нуклідів рідкісноземельних елементів. Третя реакція — випускання позитрона — відбувається у випадку найбагатших на нейтрони нуклідів, багато з яких розпадаються також шляхом захоплення електрона (четверта реакція). (Захоплення електрона вважається мимовільним розпадом, оскільки електрони завжди доступні в атомі для захоплення; захоплюються s-електрони, головним чином 1s-електрони; вони є єдиними електронами зі скінченною ймовірністю біля ядра.) Останні дві реакції, випускання протона й нейтрона, відбуваються надзвичайно рідко.
Більшість процесів бета-розпаду (як e+, так і e−) супроводжується випусканням гамма-променів, що настає негайно слідом за ними. Бета-розпад може призводити до утворення ядер в якомусь одному або в різних збуджених станах із переходом у нормальний стан шляхом випускання гамма-променів. Простий приклад показано на рис. 20.10. Обширну інформацію про енергетичні рівні ядер одержано в результаті вимірювання довжин хвиль фотонів (гамма-променів) та визначення максимальної кінетичної енергії бета-променів (максимум відповідає нульовій енергії для нейтрино).
Ядерні реакції виникають при бомбардуванні ядер фотоном, нейтронами, протонами, дейтронами, тритонами (3H+), треліонами (3He2+), геліонами (альфа-частинками) або важчими ядрами. Прикладом може слугувати утворення ізотопу 32P при бомбардуванні звичайного фосфору 31P дейтронами з енергією 10 МеВ
$${}^{31}_{15}\mathrm{P}_{16} + {}^{2}_{1}\mathrm{H}_1 \longrightarrow {}^{32}_{15}\mathrm{P}_{17} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}_0$$
Ядерні реакції звичайно записують скорочено, наприклад:
$${}^{31}\mathrm{P}\,(d,\,p)\,{}^{32}\mathrm{P}$$
Символ (d, p) означає, що бомбардувальною (діючою) частинкою є дейтрон, а випущеною частинкою — протон. Нижче наведено приклади інших ядерних реакцій цього загального типу:
Рис. 20.10. Бета-розпад ядер 38Cl, що супроводжується випусканням трьох видів гамма-променів.
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,(n,\,\alpha)\,{}^{3}\mathrm{H}$$ | $${}^{11}\mathrm{Be}\,(d,\,p)\,{}^{12}\mathrm{Be}$$ |
| $${}^{7}\mathrm{Li}\,(n,\,\gamma)\,{}^{8}\mathrm{Li}$$ | $${}^{11}\mathrm{Be}\,(t,\,p)\,{}^{13}\mathrm{Be}$$ |
| $${}^{9}\mathrm{Be}\,(n,\,p)\,{}^{9}\mathrm{Li}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,2n)\,{}^{9}\mathrm{C}$$ |
| $${}^{9}\mathrm{Be}\,(d,\,2p)\,{}^{9}\mathrm{Li}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,\gamma)\,{}^{11}\mathrm{C}$$ |
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,(d,\,n)\,{}^{7}\mathrm{Be}$$ | $${}^{10}\mathrm{B}\,(\alpha,\,n)\,{}^{13}\mathrm{N}$$ |
| $${}^{10}\mathrm{B}\,(p,\,\alpha)\,{}^{7}\mathrm{Be}$$ | $${}^{23}\mathrm{Na}\,(p,\,3n)\,{}^{21}\mathrm{Mg}$$ |
| $${}^{6}\mathrm{Li}\,({}^{3}\mathrm{He},\,n)\,{}^{8}\mathrm{B}$$ | $${}^{141}\mathrm{Pm}\,({}^{12}\mathrm{C},\,4n)\,{}^{149}\mathrm{Tb}$$ |