Так, для альфа-частиц высота кулоновского барьера в углероде составляет около 3 Мэв, в меди —10 Мэв и в свинце— 22 Мэв. Нейтроны не имеют заряда, и поэтому для них не существует кулоновского барьера ядра. Они могут проникать в него при любых малых энергиях. Этим фактом объясняется большая эффективность ядерных реакций с нейтронами. Та минимальная энергия бомбардирующей частицы, ниже которой ядерная реакция уже не может протекать, называется порогом реакции. Обычно порог ядерных реакций с заряженными частицами составляет несколько мегаэлектронвольт.

Другой характеристикой ядерных реакций является величина их эффективного сечения, которая отражает вероятность протекания того или иного ядерного процесса. Если на тонкую мишень падает поток частиц ε с постоянной плотностью и в ней в единицу времени происходит п реакций, то эффективным сечением данной реакции, отнесенным на одно ядро, будет называться величина где q — число ядер в веществе облучаемой мишени;

ε — число частиц на сантиметр квадратный в секунду;

σ — имеет размерность площади.

Как уже отмечалось, величины радиусов атомных ядер лежат в пределах 10^-13— 10^-12 см, следовательно, площадь геометрического сечения ядер составляет примерно 10^-25 — 10^-24 см². Величина, равная 10^-24 см², принята за единицу сечения ядерных реакций и называется барном, величина, в тысячу раз меньшая — (10^-27 см²), — миллибарном.

Величина эффективного сечения зависит главным образом от энергии и типа бомбардирующих частиц, а также от массового числа облучаемых ядер. Для заряженных частиц с энергией, превышающей энергию кулоновского барьера, сечение реакций все же меньше геометрического и составляет 0,1–0,01 барн.

Наибольшие сечения имеют реакции присоединения тепловых нейтронов — (n, γ) — реакции. Для большинства элементов они равны геометрическим сечениям облученных ядер. Для некоторых изотопов бора, самария, кадмия, гадолиния и других элементов сечение значительно выше. Например, для гадолиния оно составляет 22 000 барн. Наименьшие сечения для таких реакций имеют ядра, обладающие магическим числом нейтронов или протонов, например Са⁴⁰(20 протонов, 20 нейтронов), Zr⁹⁰ (40 протонов, 50 нейтронов), La¹³⁹ (57 протонов, 82 нейтрона) и РЬ²⁰⁸ (82 протона и 126 нейтронов). Этот факт также свидетельствует о большой устойчивости таких ядер.

Многие ядерные реакции сопровождаются значительным выделением энергии в том случае, если сумма масс бомбардирующей частицы и ядра мишени больше суммы масс продуктов реакции. Например, энергию ядерной реакции а + b — с + d можно определить по формуле Эйнштейна (4), где

Δm = (т_а + m_b) — (т_с + m_d).

Один грамм вещества эквивалентен 25 млн. квт ч. Известно, что во всем мире ежегодно производится около 1400 млрд, квт ч. электроэнергии, что эквивалентно всего лишь 56 кг массы вещества.

Большинство ядерных реакций протекает в две стадии. Сначала происходит захват бомбардирующей частицы ядром мишени и образование промежуточного возбужденного ядра (см. рис. 3 и 8), которому бомбардирующая частица передает всю свою энергию. Время жизни такого ядра очень мало и составляет 10^-16― 10^-14 сек. Вторая стадия связана с тем, что из возбужденного ядра вылетают нуклоны, подобно молекула я жидкости при испарении, энергия которых превышает среднюю энергию всех нуклонов в ядре. При этом «испаряющиеся» частицы уносят с собой значительную часть энергии возбужденного ядра, которое остается либо в слабовозбужденном состоянии, способном к радиоактивному распаду, либо вообще в невозбужденном стабильном состоянии. В результате таких реакций происходит изменение массового числа или порядкового номера облучаемого элемента на несколько единиц. Например, присоединение к ядру _zMe^А нейтронов по (η, γ) — реакции дает новое ядро _zMe^{А +1}. Его массовое число увеличивается на единицу. Исключение представляют реакции с многозарядными ионами. Так, в реакции _zMe^А + ₆С¹² = z+f Me^А+10 + 2_оп¹ массовое число облучаемого ядра увеличивается на 10 единиц, а заряд — на 6.

Рис. 8. Схема процесса деления ядра U²³⁵.

К еще более радикальным изменениям ядер приводит процесс деления ядер. Схематически он изображен на рис. 8. Видно, что процесс деления ядер урана на два новых ядра сопровождается выделением трех нейтронов. Эти нейтроны вызывают деление других ядер урана, вследствие чего реакция приобретает цепной характер. Процесс развивается лавинообразно и мгновенно. При этом выделяется колоссальное количество энергии, равное 200 Мэв на один акт деления. Так, деление одного килограмма урана сопровождается выделением энергии, равной 22 млн. квт ч, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 2500 т угля.

Процесс деления тяжелых ядер идет самыми различными путями, и поэтому мы наблюдаем осколки деления самых разных масс и зарядов. Так, из кривой рис. 9 видно, что при делении ядер U²³⁵ тепловыми нейтронами образуются осколки в области массовых чисел от 70 до 160. Число их достигает 500, причем большинство осколков радиоактивно. Процесс деления многих тяжелых ядер протекает с большой вероятностью.

Рис. 9. Зависимость выхода осколков деления U²³⁵ тепловыми нейтронами от массовых чисел.

Например, сечение деления ядер U²³⁵ тепловыми нейтронами составляет 545 барн. Поэтому этот процесс, осуществляемый на практике в ядерных реакторах, позволяет получить большие, даже весомые количества радиоактивных и стабильных продуктов деления ядер урана. Ядер-ный реактор, кроме того, является мощным источником нейтронов, которые используются для осуществления различных (п, γ) — реакций. Это позволяет получать радиоактивные изотопы всех элементов.

Детальное исследование радиоактивных превращений урана, радия, тория и других элементов позволило установить, что некоторые из них превращаются в другие радиоактивные элементы. Оказалось, что цепочки радиоактивных превращений весьма длинны и продолжаются до свинца, который не обнаруживает радиоактивных свойств. Установлена генетическая связь между многими продуктами распада, найдены три радиоактивных семейства — семейство урана, актиния и тория. На рис. 10, например, приведена цепочка последовательных радиоактивных превращений урана.

На основании изучения цепочек распада было сделано два важных вывода.

Во-первых, К. Фаянс и Ф. Содди сформулировали правило сдвига: если при распаде какого-нибудь радиоактивного элемента испускаются альфа-лучи, то дочерний продукт будет представлять собой элемент, располагающийся в системе Д. И. Менделеева на две клетки левее; если же радиоактивное вещество распадается с испусканием бета-лучей, то образующееся дочернее вещество будет по своим химическим свойствам представлять элемент, располагающийся на одну клетку правее. При этом атомный вес уменьшается на четыре единицы при альфа-распаде и остается без изменения при бета-распаде.