ЦР – хим. и ядерные р-ции, в кот. появл-е активной частицы (своб. радикала / атома в хим., нейтрона в ядерных процессах) вызывает большое число (цепь) последов. превращений неактивных мол-л или ядер. Своб. радикалы и многие атомы, в отл. от мол-л, обладают своб. ненасыщенными валентностями (непарным электроном), что приводит к их взаимод-ию с исх. мол-лами. При столкновении своб. радикала (R•) с мол-лой происх. разрыв одной из валентных связей последней, и, т. о., в рез-те р-ции обр-тся новый своб. радикал, кот., в свою очередь, реагирует с др. мол-лой — происх. ЦР.
В ядерных ЦР (ЯЦР) (кот. были так названы по аналогии с химическими) активными частицами явл. нейтроны, кот. инициируют один из видов яд. р-ции — деление ядер. ЯЦР явл. основой д/ ядерной энергетики и ядерного оружия.
ЦР широко распространены среди хим. реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют своб. атомы или радикалы. Механизм ЦР при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появл-ие в среде необх. частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, кот. продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя р-ции. Осн. причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за limы объёма в-ва, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте р-ции появл-ся только 1 частица-носитель, то ЦР наз. неразветвлённой (НЦР). НЦР не м. привести к энерговыделению в больших масштабах.
Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.
Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.
Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно 2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.
В цепных реакциях выделяют три стадии: зарождение цепи, ее развитие и обрыв. Зарождение (иницирование) происходит под воздействием светового, радиационного, термического или другого воздействия.
Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы, по крайней мере, один нейтрон, образованный в каждом акте распада, произвел следующий распад. В этом случае число нейтронов в зоне реакции остается постоянным. Отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к их числу в предыдущем звене, называется коэффициентом размножения нейтронов k.
Кроме того, для возникновения цепной реакции делящийся материал должен иметь определенную минимальную массу. В противном случае нейтроны будут пролетать мимо ядер и уходить из зоны деления. Минимальная масса делящегося вещества, при которой реакция еще может идти самопроизвольно, называется критической массой.
Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10−24 см².