branduolinė reakcija

branduolnė reãkcija, atomų branduolių, sąveikaujančių su elementariosiomis dalelėmis arba tarp savęs, virsmai. Paprastai branduolinės reakcijos metu iš 2 pirminių branduolių susidaro 2 antriniai. Laboratorijoje branduolinė reakcija dažniausiai sukeliama lengvesniais branduoliais apšaudant sunkesnius taikinio branduolius. Branduolinė reakcija užrašoma panašiai kaip cheminė: kairėje rašoma reaguojančios dalelės (branduoliai), dešinėje – reakcijos produktai. Pvz., aliuminio atomo branduolio (masės skaičius 27, atominis skaičius 13) ir helio atomo branduolio (masės skaičius 4, atominis skaičius 2) branduolinė reakcija, per kurią susidaro vandenilio atomo branduolys ir silicio atomo branduolys, užrašoma taip: ${}_{13}{}^{27}\mathrm{Al}+{}_2{}^4\mathrm{He}\to {}_1{}^1\mathrm{H}+{}_{14}{}^{30}\mathrm{Si}$, arba ²⁷Al(α, p) ³⁰Si; čia α – branduolį kliudžiusi dalelė ${}_2{}^4\mathrm{He}$, p – spinduliuojamas protonas ${}_1{}^1\mathrm{H}$. Branduolinėje reakcijoje dalyvaujančių pirminių ir po jos susidariusių dalelių masių sumų skirtumas, padaugintas iš šviesos greičio vakuume kvadrato, sąlygiškai vadinamas branduolinės reakcijos šiluminiu efektu. Jei šiluminis efektas teigiamas (energija spinduliuojama), branduolinė reakcija yra egzoterminė, jei neigiamas (energija sugeriama) – endoterminė. Reaguojančių dalelių sąveikos tikimybė nusakoma branduolinės reakcijos efektiniu skerspjūviu. Branduolinei reakcijai galioja sąveikaujančių dalelių ir branduolių masės, elektros krūvio, energijos, judesio kiekio, judesio kiekio momento tvermės dėsniai. Branduolinės reakcijos skirstomos pagal jas sukeliančių dalelių rūšį, energiją, jose dalyvaujančių branduolių rūšį ir branduolinių virsmų pobūdį. Branduolinę reakciją sukelia neutronai, elektringosios dalelės (protonai, deuteronai, alfa dalelės, daugiakrūviai sunkieji jonai, elektronai, mezonai) ir gama kvantai. Pagal branduolinę reakciją sukeliančių dalelių energiją skiriamos mažõs, vidutinės ir didelės energijos branduolinės reakcijos. Mažos (mažiau kaip 1 keV) energijos dalelių branduolines reakcijas dažniausiai sukelia neutronai, nes jie lengviau negu elektringosios dalelės pasiekia branduolį. Vidutinės (iki 100 MeV) energijos dalelių branduolines reakcijas sukelia neutronai, elektringosios dalelės, gama kvantai ir antriniai kosminiai spinduliai. Didelės (virš 100 MeV) energijos dalelių branduolines reakcijas sukelia greitieji neutronai; joms vykstant susidaro naujų elementariųjų dalelių (pvz., mezonų, hiperonų), branduoliai suskaldomi į nukleonus. Skiriamos branduolinės reakcijos, kuriose dalyvauja lengvieji branduoliai (masės skaičius A < 50), vidutinės masės branduoliai (50 < A < 100) ir sunkieji branduoliai (A > 100). Pagal branduolių virsmų pobūdį skiriamos šios branduolinės reakcijos: tamprioji ir netamprioji dalelių sklaida, kuloninis sužadinimas, atskėlimo reakcija, radiacinis pagavimas, branduolio dalijimasis, branduolių sintezė, fotobranduolinė reakcija.

Branduolinė reakcija yra sudėtingas branduolių virsmas (teoriškai tiksliai nenusakytas), kurio eiga tiriama naudojantis įvairiais branduolinių reakcijų modeliais. Dažniausiai naudojamasi 1936 N. Bohro sukurtu sudėtinio, arba tarpinio, branduolio modeliu. Tariama, kad branduolinė reakcija, suartėjus 2 branduoliams, yra 2 stadijų: iš pradžių susidaro tarpinis branduolys, po to jis skyla. Susidaręs tarpinis branduolys egzistuoja kaip kvazistacionari sistema palyginti ilgai (apie 10^–14 s), daug ilgiau negu vadinamas branduolinis laikas, lygus 10^–23 s (trukmė, per kurią greitasis neutronas praskrieja atstumą, lygų branduolio skersmeniui). Šios branduolinės reakcijos skerspjūvio priklausomybė nuo energijos yra rezonansinio pobūdžio, branduolinės reakcijos produktai išsisklaido izotropiškai. Jei branduolinė reakcija vyksta sparčiai, t. y. jos trukmė beveik lygi branduoliniam laikui, tai ji vadinama tiesiogine branduoline reakcija. Tiesioginės branduolinės reakcijos metu dalelė spėja kliudyti tik 1 (kai kada 2 arba 3) nukleoną ir tiesiogiai perduoda jam judesio kiekį; nukleonas iš branduolio išlekia atlėkusios dalelės judesio kiekio kryptimi. Branduolinių reakcijų tyrimais nustatoma atomo branduolio sandara. Branduoline reakcija naudojamasi radionuklidų gamyboje ir branduolinėje energetikoje (čia itin svarbios egzoterminės urano branduolio dalijimosi ir vandenilio izotopų sintezės reakcijos).

Pirmąją branduolinę reakciją tampriąja dalelių sklaida ore 1906 sukėlė E. Rutherfordas. 1919 jis tokiu būdu azotą pavertė deguonimi: ${}_7{}^{14}\mathrm{N}+{}_2{}^4\mathrm{He}\to {}_8{}^{17}\mathrm{O}+{}_1{}^1\mathrm{H}$. 1930 W. Bothe su Herbertu Beckeriu (Vokietija), tirdami branduolinę reakciją, kurią sukelia alfa dalelės veikdamos berilį, nustatė, kad iš jo išlekia ne protonai, o kitokios dalelės. 1932 J. Chadwickas įrodė, kad tai yra neutronai, kurie iki tol nebuvo žinomi. 1932 J. D. Cockroftas ir E. T. S. Waltonas pirmą kartą greitintuvu pagreitino protonus ir jais suskaldė ${}_3{}^7\mathrm{Li}$ branduolį. 1938 O. Hahnas ir Fritzas Strassmannas (Vokietija) atrado, kad veikiant neutronais sužadinama urano branduolių grandininė egzoterminė reakcija. 1942 sukūrus branduolinius reaktorius pavyko gauti intensyvius neutronų srautus. Patobulintais greitintuvais tapo įmanoma greitinti elektronus, alfa daleles, deuteronus, sunkiųjų elementų jonus, sukelti ir tirti įvairias branduolines reakcijas.

1655