Примеры ядерных реакций: Решение задач по ядерным реакциям, примеры и определения

Решение задач по ядерным реакциям, примеры и определения

Ядерная реакция – процесс взаимодействия ядра с элементарной частицей или другим ядром, в процессе которого происходит изменение строения и свойств ядра. Например, испускание ядром элементарных частиц, его деление, испускание фотонов с высокой энергией (гамма-квантов). Одним из результатов ядерных реакций является образование изотопов, не существующих в естественных условиях на Земле.

Протекать ядерные реакции могут при бомбардировке атомов быстрыми частицами (протоны, нейтроны, ионы, альфа-частицы).

Больше полезной информации по разным темам – у нас в телеграм.

Ядерные реакции

Одна из первых проведенных людьми ядерных реакций была осуществлена Резерфордом в 1919 году с целью обнаружения протона.

Тогда еще не было известно, что ядро состоит их нуклонов (протоны и нейтроны). При расщеплении многих элементов была обнаружена частица, являющаяся ядром атома водорода.  На основе опытов Резерфорд сделал предположение, что данная частица входит в состав всех ядер.

Эта реакция как раз и описывает один из экспериментов ученого. В опыте выше газ (азот) бомбардируется альфа-частицами (ядра гелия), которые, выбивая из ядер азота протон, превращают его в изотоп кислорода. Запись этой реакции выглядит следующим образом:

При решении задач на ядерные реакции следует помнить, что при их протекании выполняются классические законы сохранения:

заряда, момента импульса, импульса и энергии.

Также существует закон сохранения барионного заряда. Это значит, что число нуклонов, участвующих в реакции, остается неизменным. Если мы посмотрим на реакцию, то увидим, что суммы массовых чисел (цифра сверху) и атомных чисел (снизу) в правой и левой частях уравнения совпадают.

 

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы. 

Удельная энергия связи ядер

Как известно, внутри ядра на расстояниях порядка его размера действует одно из фундаментальных физических взаимодействий – сильное взаимодействие. Чтобы его преодолеть и «развалить» ядро, необходимо большое количество энергии.

Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая, чтобы расщепить ядро атома на составляющие его элементарные частицы.

Масса любого атомного ядра меньше, чем масса составляющих его частиц. Разность масс ядра и его составляющих нуклонов называется

дефектом масс:

Числа Z и N легко определяются при помощи таблицы Менделеева, а почитать о том, как это делается, можно тут. Энергия связи высчитывается по формуле:

Энергия ядерных реакций

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Существует величина, называемая энергетическим выходом реакции и определяемая формулой

Дельта M – дефект масс, но в данном случае это разница масс между начальными и конечными продуктами ядерной реакции.

 

Реакции могут протекать как с выделением  энергии, так и с ее поглощением. Такие реакции называются соответственно экзотермическими и эндотермическими.
Чтобы протекала экзотермическая реакция, необходимо выполнение следующего условия: кинетическая энергия начальных продуктов должна быть больше кинетической энергии продуктов, образовавшихся в ходе реакции.

Эндотермическая реакция возможна в случае, когда удельная энергия связи нуклонов в исходных продуктах меньше удельной энергии связи ядер конечных продуктов.

Примеры решения задач по ядерной реакции

А теперь пара практических примеров с решением:

  

Даже если Вам попалась задачка со звездочкой, стоит помнить – нерешаемых задач не существует. Студенческий сервис поможет выполнить любое задание.

Автор: Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Ядерные реакции

Определение 1

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия одного ядра с другим или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

Результатом ядерных реакций является образование новых радиоактивных изотопов, которые не существуют на Земле в естественных условиях.

Осуществление первой ядерной реакции пришлось на 1919 год. Э. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах распада ядер. Он бомбардировал атомы азота α-частицами. Во время соударений частиц шла ядерная реакция, для которой подразумевалась специальная схема:

N714+He24→O817+h21.

В ее процессе выполняются законы сохранения импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции характеризуются законом сохранения барионного заряда (количества нуклонов). Применимы и другие законы, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Протекание ядерной реакции идет с помощью бомбардирования атомов быстрыми заряженными частицами (протонами, нейтронами, α-частицами, ионами). Изначально она была проведена с помощью протонов, содержащих большую энергию, полученных на ускорителе, еще в 1932 году:

Li37+h21→He24+He24.

Больше всего ученых заинтересовали реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Беспрепятственный их проход в атомные ядра связан с отсутствием заряда. Физик Э. Ферми занимался изучением реакций, вызываемых нейтронами. Он выявил, что такие превращения могут быть вызваны медленными и быстрыми нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Они сопровождаются энергетическими превращениями.

Определение 2

Энергетический выход – это величина Q=MA+MB-MC-MDc2=∆Mc2,

где MA и MB подразумевают массы исходных продуктов реакции, а MC и MD массы конечных. Значение ∆M называют дефектом масс.

Определение 3

Любые ядерные реакции протекают с выделением Q>0 или поглощением Q<0 энергии. Последняя из них говорит о том, что первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов не должна превышать величину Q, которая получила название порога реакции

.

Чтобы у ядерной реакции был положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна равняться меньшему значению удельной энергии нуклонов конечных. Это значит, что ∆M должно быть положительное.

Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные.

Деление тяжелых ядер

Данный способ освобождения ядерной реакции отличаются от радиоактивного распада ядер тем, что сопровождаются испусканием α- или β- частиц. Сама реакция – процесс деления нестабильного ядра на две крупные части сравнимых масс.

Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z=56, криптона

Z=36 и других.

Уран можно встретить в виде двух изотопов U92238 (99,3 %) и U92235 (0,7 %). Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U92235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U92238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 МэВ.

Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U92235. На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145, которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:

При делении ядра, инициированного нейтроном, появляются новые, которые вызывают реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 являются другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и др.

Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, достигает 200МэВ. Оценка энергии производится с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Для ядер с массовым числом A≈240 удельная энергия связи нуклонов в ядрах порядка 7,6 МэВ/нуклон, а для ядер с массовыми числами А=90-145 она составляет – 8,5 МэВ/нуклон. Отсюда следует, что процесс деления способен освободить энергию около 0,9 МэВ/нуклон, то есть 210 МэВ на один атом урана. Энергия, выделяемая при полном делении всех ядер 1 г урана сравнима со сгоранием 3 т угля или 2,5 т нефти.

Нестабильность продуктов деления ядра выражается в содержании избыточного числа нейтронов. По отношению NZ наиболее тяжелые ядра составляют примерно 1,6, при массовых числах от 90 до 145 отношение порядка 1,3–1,4. Отсюда следует, что ядра-осколки испытывают последовательные β- распады, в результате которых число протонов возрастает, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Деление ядра урана-235 вызвано столкновениями с нейтроном, после чего происходит освобождение еще двух или трех. При наличии благоприятных условий они попадают в другие ядра урана и вызывают их деления. Этот этап характеризуется нейронами в количестве 4-9, которые далее вызывают его распад.

Определение 4

Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.

На рисунке 6.8.1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6.8.1. Схема развития цепной реакции.

Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1. Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.

Освободившиеся при делении ядер урана-235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0,7%.

Изотоп U92238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана-235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана-235 составляет 50кг. Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D2O. Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.

Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.

Определение 5

Атомные бомбы – это характерный пример цепной неуправляемой ядерной реакции, в результате которой происходит реактивное соединение двух кусков урана-235, каждый из которых обладает массой ниже критической.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание Определение 6

Устройство, поддерживаемое управляемой реакцией деления ядер, называют ядерным (атомным) реактором.

На рисунке 6.8.2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.

Рисунок 6.8.2. Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

Протекание ядерной реакции характерно для активной зоны реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями с обогащенной смесью изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3%). Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции.

Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления (натрий). Передача тепловой энергии воде производится теплоносителем, находящимся в парогенераторе. Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I и парогенератора II по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 13. Чтобы произвести 1000 МВт электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 МВт тепловой мощности в реакторе. Около 2000 МВт уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.

Основной трудностью работы таких станций является обеспечение полной радиационной безопасности находящихся на ней людей и предотвращения случайных выбросов радиоактивных веществ, которые накапливаются в активной зоне реактора. Данной проблеме уделяется особое внимание. После произошедших аварий на АЭС в Пенсильвании в 1979 году и в Чернобыле в 1986 году вопрос безопасности становится особенно необходимым.

Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15% изотопа υ92235. Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана-238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β-распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает значений 1,5, то есть на получение 1,5 кг плутония приходится 1 кг урана-235. Обычные реакторы также образуют плутоний, но в меньших количествах.

В США первый ядерный реактор был построен в 1942 году под руководством Э. Ферми, а в нашей стране в 1946 году с И.В. Курчатовым.

Термоядерные реакции

Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6.6.1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А. Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A<60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.

Определение 7

Реакция слияния ядер получила название термоядерных, так как их протекание возможно только при высоких температурах.

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2·10-15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 108-109 К. Она слишком высокая.

Определение 8

Температура 108-109 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.

Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, в расчете на 1 нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, которая выходит при цепной реакции деления ядер, показанная на примере формулы. То есть при реакции слияния ядер дейтерия и трития

h22+h23→He24+n01+17,6 выдает 3,5 Мэв/кулон. Полное выделение энергии составляет 17, 6 МэВ. Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.

Возможность осуществления управляемых термоядерных реакций дает человеку новый и экологически чистый источник практически неисчерпаемой энергии. Но для получения сверхвысоких температур и удержания плазмы, нагретой до миллиарда градусов, требуется решение труднейшей научно-технической задачи для осуществления термоядерного синтеза.

Данный этап развития науки характеризуется наличием неуправляемой реакции синтеза в водородной бомбе. Достижение высокой температуры, необходимой для ядерного синтеза, производится путем взрыва урановой или плутониевой бомбы.

Пример 1

Роль термоядерных реакций важна в эволюции Вселенной. Энергия изучения Солнца и звезд характеризуется термоядерным происхождением. Примером служит ядерная реакция горения гелия, изображенная ниже.

Рисунок 6.8.3. Возраст 107 лет.

Внутреннее строение звезды с массой 5M ⊙ как функция возраста. Заштрихованы области протекания ядерных реакций. Конвективные зоны отмечены точками.

Рисунок 6.8.4. Модель ядерного реактора.

Рисунок 6.8.5. Модель синтеза гелия.

Рисунок 6.8.6. Модель ядерных превращений.

Ядерные реакции (задачи)

Ядерные реакции

1. Перечислить несколько ядерных реакций, в которых может образоваться изотоп ⁸Be.

2. Какую минимальную кинетическую энергию в лабораторной системе T_min должен иметь нейтрон, чтобы стала возможной реакция ¹⁶O(n,α)¹³C?

3. Является ли реакция ⁶Li(d,α)⁴He эндотермической или экзотермической? Даны удельные энергии связи ядер в МэВ: ε(d) = 1.11; ε() = 7.08; ε(⁶Li) = 5.33.

4. Определить пороги T_пор реакций фоторасщепления ¹²С.

1. γ + ¹²С → ¹¹С + n
2. γ + ¹²С → ¹¹В + р
3. γ + ¹⁴С → ¹²С + n + n

5. Определить пороги реакций: ⁷Li(p,α)⁴He и ⁷Li(p,γ)⁸Be.

6. Определить, какую минимальную энергию должен иметь протон, чтобы стала возможной реакция p + d → p + p + n. Даны избытки масс. Δ(¹H) = 7.289 МэВ, Δ(²H) = 13.136 МэВ,
Δ(n) = 8.071 МэВ. 

7. Возможны ли реакции:

1. α + ⁷Li → ¹⁰B + n;
2. α + ¹²C → ¹⁴N + d

под действием α-частиц с кинетической энергией T = 10 МэВ?

8. Идентифицировать частицу X и рассчитать энергии реакции Q в следующих случаях:

1. 35Сl + X→ 32S + α;	4. 23Na + p→ 20Ne + X;
2. 10B + X→ 7Li + α;	5. 23Na + d→ 24Mg + X;
3. 7Li + X →7Be + n;	6. 23Na + d→ 24Na + X.

9. Какую минимальную энергию T_min должен иметь дейтрон, чтобы в результате неупругого рассеяния на ядре ¹⁰B возбудить состояние с энергией E_возб = 1. 75 МэВ?

10. Вычислить порог реакции: ¹⁴N + α→¹⁷О + p, в двух случаях, если налетающей частицей является:
1) α-частица,
2) ядро ¹⁴N. Энергия реакции Q = 1.18 МэВ. Объяснить результат.

11. Рассчитать энергии и пороги следующих реакций:

1. d( p,γ)3He;	5. 32S(γ,p )31P;
2. d( d,3He )n;	6. 32 (γ,n )31S;
3. 7Li( p,n )7Be;	7. 32S(γ,α)28Si;
4. 3He(α,γ)7Be;	8. 4He(α,p)7Li;

 

12. Какие ядра могут образовываться в результате реакций под действием: 1) протонов с энергией 10 МэВ на мишени из ⁷Li; 2) ядер ⁷Li с энергией 10 МэВ на водородной мишени?

13. Ядро ⁷LI захватывает медленный нейтрон и испускает γ-квант. Чему равна энергия γ-кванта?

14. Определить в лабораторной системе кинетическую энергию ядра ⁹Ве, образующегося при пороговом значении энергии нейтрона в реакции ¹²C(n,α)⁹Be.

15. При облучении мишени из натурального бора наблюдалось появление радиоактивных изотопов с периодами полураспада 20.4 мин и 0.024 с. Какие образовались изотопы? Какие реакции привели к образованию этих изотопов?

16. Мишень из натурального бора бомбардируется протонами. После окончания облучения детектор -частиц зарегистрировал активность 100 Бк. Через 40 мин активность образца снизилась до ~25 Бк. Каков источник активности? Какая ядерная реакция происходит?

17. α-Частица с кинетической энергией T = 10 МэВ испытывает упругое лобовое столкновение с ядром ¹²С. Определить кинетическую энергию в л.с. ядра ¹²C T_C после столкновения.

18. Определить максимальную и минимальную энергии ядер ⁷Ве, образующихся в реакции
⁷Li(p,n)⁷Be (Q = -1,65 МэВ) под действием ускоренных протонов с энергией T_p = 5 МэВ.

19. -Частицы, вылетающие под углом θ_неупр = 30⁰ в результате реакции неупругого рассеяния с возбуждением состояния ядра ¹²C с энергией E_возб = 4.44 МэВ, имеют такую же энергию в л.с., что и упруго рассеянные на том же ядре α-частицы под углом θ_упр = 45⁰. Определить энергию α-частиц, падающих на мишень .

20. α-Частицы с энергией T = 5 МэВ взаимодействуют с неподвижным ядром ⁷Li. Определить величины импульсов в с.ц.и., образующихся в результате реакции ⁷Li(α,n)¹⁰B нейтрона p_α и ядра ¹⁰B p_Be.

21. С помощью реакции ³²S(α,p)³⁵Cl исследуются низколежащие возбужденные состояния ³⁵Cl (1.219; 1.763; 2.646; 2.694; 3.003; 3.163 МэВ). Какие из этих состояний будут возбуждаться на пучке α-частиц с энергией 5.0 МэВ? Определить энергии протонов, наблюдаемых в этой реакции под углами 0⁰ и 90⁰ при Е =5.0 МэВ.

22. Используя импульсную диаграмму получить связь между углами в л.с. и с.ц.и.

23. Протон с кинетической энергией Т_a= 5 МэВ налетает на ядро ¹Н и упруго рассеивается на нем. Определить энергию T_B и угол рассеяния θ_B ядра отдачи ¹Н, если угол рассеяния протона θ_b = 30⁰.

24. Для получения нейтронов широко используется реакция t(d,n)α. Определить энергию нейтронов T_n, вылетающих под углом 90⁰ в нейтронном генераторе, использующем дейтроны, ускоренные до энергии Т_d = 0. 2 МэВ.

25. Для получения нейтронов используется реакция ⁷Li(p,n)⁷Be. Энергия протонов T_p = 5 МэВ. Для эксперимента необходимы нейтроны с энергией T_n = 1.75 МэВ. Под каким углом θ_n относительно направления протонного пучка будут вылетать нейтроны с такой энергией? Какой будет разброс энергий нейтронов ΔT, если их выделять с помощью коллиматора размером 1 см, расположенного на расстоянии 10 см от мишени.

26. Определить орбитальный момент трития l_t, образующегося в реакции ²⁷Al(,t)²⁸Si, если орбитальный момент налетающей α-частицы l_α = 0.

27. При каких относительных орбитальных моментах количества движения протона возможна ядерная реакция p + ⁷Li → ⁸Be^*→  α + α?

28. С какими орбитальными моментами l_p могут вылетать протоны в реакции ¹²C(,p)¹¹B, если: 1) конечное ядро образуется в основном состоянии, а поглотился Е2- фотон; 2) конечное ядро образуется в состоянии 1/2⁺, а поглотился М1- фотон; 3) конечное ядро образуется в основном состоянии, а поглотился Е1- фотон?

29. В результате поглощения ядром -кванта вылетает нейтрон с орбитальным моментом l_n = 2. Определить мультипольность -кванта, если конечное ядро образуется в основном состоянии.

30. Ядро ¹²C поглощает γ-квант, в результате чего вылетает протон с орбитальным моментом l = 1. Определить мультипольность поглощенного γ-кванта, если конечное ядро образуется в основном состоянии?

31. Определить орбитальный момент дейтрона l_d в реакции подхвата ¹⁵N(n,d)¹⁴C, если орбитальный момент нейтрона l_n = 0.

33. Ядро ⁴⁰Cа поглощает Е1 γ-квант. Какие одночастичные переходы возможны?

34. Ядро ¹²C поглощает Е1 γ-квант. Какие одночастичные переходы возможны ?

35. Можно ли в реакции неупругого рассеяния дейтронов на ядре ¹⁰В возбудить состояние с характеристиками J^P = 2⁺ , I = 1?

36. Вычислить сечение рассеяния -частицы с энергией 3 МэВ в кулоновском поле ядра ²³⁸U в интервале углов от 150⁰ до 170⁰.

37. Золотая пластинка толщиной d = 0.1 мм облучается пучком α-частиц с интенсивностью N₀ = 10³ частиц/c. Кинетическая энергия -частиц T = 5 МэВ. Сколько α-частиц на единицу телесного угла падает в секунду на детектор, расположенный под углом = 170⁰? Плотность золота ρ = 19.3 г/см³.

38. Коллимированный пучок α-частиц с энергией T = 10 МэВ падает перпендикулярно на медную фольгу толщиной δ = 1 мг/см². Частицы, рассеянные под углом = 30, регистрируются детектором площадью S = 1см², расположенным на расстоянии l = 20 см от мишени. Какая доля от полного числа рассеянных α-частиц будет зарегистрирована детектором?

39. При исследовании реакции ²⁷Al(p,d)²⁶Al под действием протонов с энергией T_p = 62 МэВ в спектре дейтронов, измеренном под углом θ_d = 90 с помощью детектора с телесным углом
dΩ = 2·10^-4 ср, наблюдались пики с энергиями T_d = 45,3; 44,32; 40.91 МэВ. При суммарном заряде протонов q = 2.19 мКл, упавших на мишень толщиной δ = 5 мг/см², количество отсчетов в этих пиках N составило 5180, 1100 и 4570 соответственно. Определить энергии уровней ядра ²⁶Al, возбуждение которых наблюдалось в этой реакции. Рассчитать дифференциальные сечения dσ/dΩ этих процессов.

40. Интегральное сечение реакции ³²S(γ,p)³¹P с образованием конечного ядра ³¹P в основном состоянии при энергии падающих γ-квантов, равной 18 МэВ, составляет 4 мб. Оценить величину интегрального сечения обратной реакции ³¹P(p,γ)³²S, отвечающей той же энергии возбуждения ядра ³²S, что и в реакции ³²S(γ,p)³¹P. Учесть, что это возбуждение снимается за счет γ-перехода в основное состояние.

41. Рассчитать интенсивность пучка нейтронов J, которым облучали пластинку ⁵⁵Mn толщиной d = 0.1 см в течении t_акт = 15 мин, если спустя t_охл = 150 мин после окончания облучения ее активность I составила 2100 Бк. Период полураспада ⁵⁶Mn 2.58 ч, сечение активации σ = 0.48 б, плотность вещества пластины ρ = 7.42 г/см³.

42. Дифференциальное сечение реакции dσ/dΩ под углом 90⁰ составляет 10 мб/ср. Рассчитать величину интегрального сечения, если угловая зависимость дифференциального сечения имеет вид 1+2sinθ.

43. Рассеяние медленных (T_n1 кэВ) нейтронов на ядре изотропно. Как можно объяснить этот факт?

44. Определить энергию возбуждения составного ядра, образующегося при захвате α-частицы с энергией T = 7 МэВ неподвижным ядром ¹⁰В.

45. В сечении реакции ²⁷Аl (α,р) ³⁰Si наблюдаются максимумы при энергиях α-частиц T 3.95; 4.84 и 6.57 МэВ. Определить энергии возбуждения составного ядра, соответствующие максимумам в сечении.

46. С каким орбитальным моментом могут рассеиваться протоны с Т_р = 2 МэВ на ядре ¹¹²Sn?

47. Оценить сечение образования составного ядра при взаимодействии нейтронов с кинетической энергией T_n = 1 эВ с ядрами золота ¹⁹⁷Au.

48. Оценить сечение образования составного ядра при взаимодействии нейтронов с кинетической энергией T_n = 30 МэВ с ядрами золота ¹⁹⁷Au.

49. Сравнить полные сечения реакции для α-частиц с энергией 20 Мэв на ядрах ⁵⁶Fe и ¹⁹⁷Au.

50. Оценить сечение реакции ⁶³Cu(p,n)⁶³Zn, если известны сечения реакций, идущих с образованием того же составного ядра с той же энергией возбуждения:
⁶⁰Ni(α,p)⁶³Zn – 0.7 б; ⁶³Cu(p,pn)⁶²Cu – 0.87 б; ⁶⁰Ni(α,pn)⁶²Cu – 0.97 б.

51. Оценить нейтронную ширину Г_n изолированного уровня 0⁺ ядра ¹⁰⁸Rh (энергия уровня E₀ = 1.21 эВ, полная ширина Г = 0.21 эВ), если при резонансном поглощении нейтронов с образованием этого уровня составного ядра сечение поглощения для энергии нейтронов T_n = 1 эВ  σ = 2700 б. Спин ядра-мишени I(¹⁰⁷Rh) = 1/2.

52. Получить, исходя из модели оболочек, отношение сечений реакций подхвата ¹⁶O(p,d)¹⁵O, с образованием конечного ядра ¹⁵O_{в основном состоянии (J^P =1/2^–) и в состоянии (J^P =3/2^–).}

53. Для реакции срыва ³⁵Cl(d,p)³⁶Cl найти возможные значения орбитального момента l_n захваченного ядром нейтрона. Указать, исходя из простейшей оболочечной модели, какое из значений l_n реализуется, если ядро ³⁶Cl образуется в основном состоянии.

54. Оценить спин и четность состояния ядра ²⁴Mg с энергией 1.37 МэВ, если при возбуждении этого состоянии в реакции неупругого рассеяния α-частиц с энергией T = 40 Мэв, первый максимум в угловом распределении α-частиц наблюдается под углом 10⁰.

55. Найти угол , под которым должен быть максимум углового распределения протонов в реакции (d,p) на ядре ⁵⁸Ni, вызванной дейтронами с энергией T=15 МэВ, с образованием ядра ⁵⁹Ni в основном состоянии.

56. Показать, что в реакции неупругого рассеяния дейтронов на ядре ¹⁰B, идущей за счёт сильного взаимодействия, невозможно возбуждение уровней этого ядра с изоспином I = 1.

Спектр нижних уровней ядра

57. Какие состояния из приведенного на рисунке спектра ядра могут возбуждаться в реакциях неупругого рассеяния (α,α’), (d,d’) и (p,p’)?

 

 

 

 

 

58. Оценить отношение сечений двух каналов реакции фоторасщепления ядра ¹⁶O:

γ + ¹⁶O → ¹⁵N_gs + p,                   (а)
γ + ¹⁶O → ¹⁵N*(J^P = 3/2⁻) + p.    (б)

59. При изучении дифракционного рассеяния протонов с кинетической энергией Т = 20 ГэВ на ядрах свинца первый дифракционный минимум наблюдается при θ_min = 0.3^о. Оценить радиус ядра свинца.

60. Оценить радиус ядра меди, если известно, что при прохождении высокоэнергетичных нейтронов через пластинку меди толщиной 2 см поток нейтронов уменьшился в 1.1 раза. Размером нейтрона пренебречь. ρ(Cu) = 9 г/см³.

Урок физики в 9-м классе “Ядерные реакции”

Цели урока:

• Образовательная: ввести понятие ядерные реакции и показать их значение для жизнедеятельности человека.
• Воспитательная: воспитание мировоззренческих понятий “причинно-следственные связи в окружающем мире”, “познаваемость окружающего мира и человека
• Развивающая: развитие навыков и умений классифицировать и обобщать, формулировать выводы по изученному материалу.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, раздаточный материал «таблица Менделеева», презентация к уроку, самостоятельная работа.

Ход урока

I. Организационный этап (1-2 мин.)

Учитель физики: Дорогие ребята! Я рада видеть вас, и хочу начать урок со слов И. Гёте “Блажен, кто явственно узрел, хотя бы скорлупу природы”. Какой глубокий смысл в этих словах! Действительно, у природы много тайн и загадок, раскрывает она их неохотно, поэтому каждая очередная разгадка – важный шаг человечества на пути к познанию мира. Как и познание тайны атома. (слайд 1)

II. Мотивация (3 мин.)

Учитель физики: (осуществляется показ слайдов презентации на экране)

Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков.
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет! (слайд 2–4)

Япония скорбит уж много лет,
Известны людям Хиросима, Нагасаки,
Но не наложен на трагедии запрет,
Стоят повсюду ядерные плахи.
Всех жертв и испытаний нам не счесть,
Но целы арсеналы, полигоны,
Чернобыля убийственная весть
Предупрежденье поколеньям новым.
Тысячелетье начало отсчет,
Век двадцать первый по земле шагает,
Мы думали, что его детям больше повезет,
Но взрыв на Фукусима – обратное утверждает. (слайд 5–8)

Учитель физики: как можно объединить эти события?

Ученики: ядерный взрыв, который произошёл при взрыве атомных бомб в Японии, взрыв атомного реактора на Чернобыльской АЭС и взрыв на АЭС Фокусима.

Учитель физики: что такое ядерный взрыв?

Ученики:

III. Объяснение нового материала (15 мин.)

Учитель физики: Я́дерный взрыв — неуправляемый процесс высвобождения большого количества тепловой и лучистой энергии в результате цепной ядерной реакции деления или реакции термоядерного синтеза за очень малый промежуток времени. (слайд 9)

Учитель физики: сегодня на уроке мы узнаем, что такое ядерные реакции, и какое значение они имеют для жизнедеятельности человека. (слайд 10)

Учитель физики: Процесс взаимодействия ядра с частицей или другими ядрами, сопровождающийся изменением состава и структуры дочернего ядра – называется ядерной реакцией. (слайд 11) Давайте рассмотрим механизм деления ядра. Но вначале мы вспомним строение атома. Из чего состоит ядро атома? (слайд 12)

Ученики:

Учитель физики: Как объяснить стабильность атомных ядер?

Ученики:

Учитель физики: Назовите свойства ядерных сил. (слайд 12)

Ученики:

Учитель физики: Ядро представляет собой «плотное образование», и когда в него попадает частица, то она «застревает» в нём, причём энергия частицы передаётся не одному, а многим нуклонам. Захват ядром попавшей частицы приводит к образованию промежуточного, так называемого составного ядра. В этом состоит первый этап ядерной реакции. Второй этап ядерной реакции – превращение составного ядра – происходит независимо от захвата падающей частицы. Оба этапа можно изобразить схемой :

Где  – исходное ядро-мишень, α – налетающая частица,  – составное ядро,  – ядро, являющееся продуктом ядерной реакции, b – частица вылетающая из ядра в результате реакции. Возможно протекание реакции и в один этап. (слайд 13)

Учитель физики: первую ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году при бомбардировки атома азота α – частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H (слайд 14)

Учитель физики: когда же возникают ядерные реакции?

Ученики: Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил.

Учитель физики: Ядро, какой заряд имеет? А α – частица?

Ученики:

Учитель физики: Когда возможно сближение двух положительно заряженных частиц?

Ученики: если одна из них обладает очень большой скоростью. (слайд 15)

Учитель физики: подведём итог сказанному. Ядерная реакция возможна, если одна из частиц обладает высокой скоростью, т.е. обладает большой энергией. Это есть одно из условий протекания ядерной реакции.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). (с лайд 15)

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He (слайд 16)

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: уран-238 (99,3 %) и уран-235 (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления уран-235 наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра уран-238 вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. (слайд 17)

Благодаря ядерной реакции выделяется громадное количество тепла. (Кусок урана величиной с ладонь содержит больше энергии, чем целый железнодорожный состав каменного угля. Кроме того, АЭС, в отличии от ТЭС, не сжигает атмосферный кислород и не загрязняет атмосферу). Тепло подаётся на паровые турбины, которые вырабатывают ток. Где ещё можно использовать энергию выделяющую при ядерных реакциях?

Ученики:

Ядерная реакция может идти двумя способами управляемая и неуправляемая.

Примеры УЦР и их значение для жизнедеятельности человека.

Примеры неуправляемой ЦР и их значение для жизнедеятельности человека (слайд 18)

Последствия радиации (слайд 19)

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц. (слайд 20)

Примеры ядерных реакций.

IV. Проверка знаний (7 мин.)

1. Что такое ядерная реакция?
2. В чем отличие ядерной реакции от химической?
3. Почему образовавшиеся ядра гелия разлетаются в противоположные стороны?
   ⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He
4. Является ли ядерной реакция испускания α-частицы ядром?
5. Допишите ядерные реакции: (слайд 21)
   • ⁹₄Be + ¹₁H → ¹⁰₅B + ?
   • ¹⁴₇N + ? → ¹⁴₆C + ¹₁p
   • ¹⁴₇N + ⁴₂He → ? + ¹₁H
   • ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ? (1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри получили радиоактивный изотоп фосфора)
   • ? + ⁴₂He → ³⁰₁₄Si + ¹₁p

Самостоятельная работа (Приложение 2)

Вариант 1

Ответы: а) ¹³₇N; б) ¹₁p; в) ¹₀n; г) ¹⁴₇N; д) ⁴₂He; е) ³⁵₁₆S

Вариант 2

Ответы: а) ⁴₂He; б) ¹⁸₉F; в) ¹⁴₇N; г) ¹₀n; д) γ; е) ¹₁p

После выполнения самостоятельной работы проводится самопроверка.

V. Рефлексия (2 мин.)

Ребята я предлагаю вам ответить на следующие вопросы.

Я сегодня на уроке узнал…

Мне на уроке понравилось и запомнилось…

Урок сегодня мне не понравился, потому что …

Заключительные слова учителя: Сегодня на уроке мы приоткрыли одну из тайн природы, но и если халатно относиться к энергии атома, то можно нанести непоправимый вред, поэтому я вас призываю «ДАВАЙТЕ БЕРЕЧЬ НАШУ РОДНУЮ ЗЕМЛЮ, ВЕДЬ ОНА У НАС ОДНА!»

Урок 28. ядерные реакции – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 28. Ядерные реакции

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Ядерные реакции, цепные ядерные реакции;

2) энергетический выход ядерной реакции;

3) коэффициент размножения нейтронов;

4) критическая масса отражение;

5) реакторы-размножители;

6) термоядерная реакция.

Глоссарий по теме:

Период полураспада – время, за которое распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Закон радиоактивного распада:

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Энергетический выход ядерной реакции- разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции, а также разность кинетических энергий частиц, участвующих в реакции.

Цепная ядерная реакция- реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения».

Ядерный реактор- устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Критическая масса – наименьшая масса делящегося вещества, при которой ещё может протекать цепная ядерная реакция.

Реакторы –размножители – это реакторы, воспроизводящие делящийся материал.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высокой температуре.

Изотопы – элементы с одинаковыми химическими свойствами, но различающиеся массами.

Доза поглощённого излучения – это отношение поглощённой телом энергии ионизирующего излучения к массе облучаемого тела.

Эквивалентная доза поглощённого излучения определяется произведением дозы поглощённого излучения на коэффициент качества.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 318 – 352.

2.Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.:Дрофа,2009. – С.155-162.

Основное содержание урока

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Энергетический выход ядерной реакции– разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции, а также разность кинетических энергий частиц, участвующих в реакции.

Цепная ядерная реакция– реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Ядерный реактор– устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Критическая масса – наименьшая масса делящегося вещества, при которой ещё может протекать цепная ядерная реакция.

Реакторы –размножители – это реакторы, воспроизводящие делящийся материал.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высокой температуре.

Изотопы – элементы с одинаковыми химическими свойствами, но различающиеся массами.

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется: дозой поглощённого излучения.

Разбор тренировочных заданий

1. Ядро претерпело ряд α- и β-распадов. В результате образовалось ядро  . Определите число α- и β –распадов.

Решение:

При альфа-распаде зарядовое число уменьшается на 2 единицы, а зарядовое – на 4 единицы. При бета-распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а его масса не меняется. При превращении ядра урана в ядро свинца масса уменьшается на 238 − 206 = 32 а.е.м., а заряд на 92 − 82 = 10 зарядов электрона, и тогда заряд ядра уменьшается на 8 · 2 − 6 = 10 единиц заряда электрона, а масса уменьшается на 8 · 4 = 32 а.е.м.

Правильный ответ: 8 альфа-распадов и 6 бета-распадов.

2. Закончите уравнение ядерной реакции, с клавиатуры впишите численные значения ответа в пустые клеточки.

Решение:

Учитывая законы сохранения электрического заряда и массы, получаем:

17+0=1+16;

35+1=1+34.

Таким образом, получаем элемент с порядковым номером 16 и массовым числом 34 (сера S)

Ответ:

Примеры ядерных реакций – Энциклопедия по машиностроению XXL

Различный механизм протекания ядерных реакций (образование промежуточного ядра или прямое взаимодействие) может быть хорошо проиллюстрирован на примере ядерных реакций под действием дейтонов.  [c.457]

В качестве примеров ядерных реакций при малых энергиях мы приводим несколько реакций, используемых для получения моно-энергетических нейтронов, а именно /г-реакции  [c.193]

Примеры ядерных реакций  [c.194]

В обоих рассмотренных примерах ядро, испускающее у-лучи, имеет сравнительно небольшую энергию возбуждения, недостаточную для испускания нуклона. Этот результат может быть распространен и на многие другие процессы, приводящие к образованию ядер с энергией возбуждения, меньшей энергии отделения нуклона. К числу таких процессов относятся многочисленные ядерные реакции, одним из продуктов которых является ядро в возбужденном состоянии. При этом обычно энергия возбуждения ядра-продукта бывает меньше энергии отделения нуклона (или какой-либо другой частицы), и испускание -у-излу-чения является единственно возможным способом снятия возбуждения (если не считать рассматриваемого ниже явления внутренней конверсии).  [c.165]

Экспериментальное изучение ядерных взаимодействий показало, что во всех без исключения случаях суммарный электрический заряд частиц, вступающих в реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции. Кроме того, в ядерных реакциях обычного типа (без образования античастиц) сохраняется полное число нуклонов. В табл. 21 приведено несколько ядерных превращений, на примере которых можно проследить за выполнением этих законов сохранения.  [c.259]

Резонансный характер изменения сечения ядерной реакции при изменении кинетической энергии бомбардирующей частицы впервые был установлен именно на примере (а, р)-реакций на легких ядрах. Однако правильное объяснение механизма возникновения резонансов было дано Бором значительно позже (1936 г.). Это связано с тем, что ширина уровней и расстояние между ними для промежуточного ядра, образующегося в рассматриваемых реакциях, отличаются от соответствующих величин для реакций, идущих под действием медленных нейтронов на тяжелых ядрах, значительно большей величиной (Г 1 кэв, А 0,1 — 1 Мэе).  [c.443]

В качестве примера использования закона сохранения четности рассмотрим ядерную реакцию, в которой при столкновении протона р с ядром лития gLi образуются две а-частицы  [c.76]

Заметим, что принцип детального равновесия несравненно менее эффективен в применении к ядерным реакциям в узком смысле слова, чем к реакциям с элементарными частицами. Причину этого можно пояснить на примере реакций  [c.128]

В этом и следующем пунктах мы рассмотрим примеры резонансных ядерных реакций. Начнем с резонансных реакций, в которых составным ядром является нестабильное ядро изотопа бериллия iBe . Некоторые низшие уровни ядра iBe приведены на рис. 4.10 с указанием их энергий, спинов и четностей. Длинной горизонтальной линией отмечена энергия связи системы р -f gLi . Ряд уровней ниже этой черты не указан.  [c.138]

Конечно, введение изотопического спина само по себе ни к какой новой физике не приводит. Вспомним, однако, что в ядерных силах между нуклонами изотопический спин сохраняется. Обобщением ядерных сил являются сильные взаимодействия элементарных частиц. Оказывается, что закон сохранения изотопического спина справедлив для любых сильных взаимодействий, но нарушается электромагнитными и другими взаимодействиями. Этот закон, конечно, имеет определенное физическое содержание. Так, из него сразу следует, что массы частиц с одинаковым полным изотопическим спином должны мало различаться между собой (при отсутствии электромагнитных и слабых взаимодействий массы должны были бы совпадать). И действительно, например, массы заряженных и нейтральных пионов различаются всего лишь на несколько процентов. Закон сохранения изотопического спина проявляется и в ядерных реакциях. Для примера рассмотрим две реакции рождения пионов  [c.292]

В заключение рассмотрим воздействие космического излучения на атмосферу. В процессе генерации и поглощения ядерно-актив-ной компоненты в верхних слоях атмосферы происходят различные ядерные реакции. Благодаря этим реакциям в атмосфере, во-первых, поддерживается некоторое равновесное содержание радиоактивных изотопов,таких, как Н , С , Ве , S , i . В частности, только за счет космического излучения в земной воде концентрация тяжелого изотопа водорода — трития — поддерживается на уровне 10 %. Во-вторых, происходит накопление стабильных изотопов. Для примера укажем, что за время существования Земли 4-10 лет) космическое излучение увеличило распространенность изотопа лития Li на 0,03%, т. е. на величину, вполне измеримую современными масс-спектроскопическими методами.  [c.646]

Развиваются экспрессные методы активационного анализа без разрушения, опирающиеся на измерение короткоживущих активностей и даже просто продуктов ядерных реакций. Эти методы используются, в частности, для непрерывного автоматического контроля за ходом различных технологических процессов. Идентификация проводится по Р-распадным электронам, по у-квантам радиационного захвата (п, у), по нейтронам и другим частицам, вылетающим в результате ядерных реакций. Используются и у-кванты, возникающие при возвращении ядра в основное состояние после неупругого столкновения с нейтроном. Для повышения селективности анализа обычно измеряется энергия у-квантов, а для каскадных процессов часто используется регистрация на совпадения. Примером экспрессного анализа по короткоживущей активности может служить определение содержания кислорода посредством активации быстрыми нейтронами, вызывающими реакцию вО (п, p)7N . Период полураспада изотопа составляет всего лишь 7,3 с. Регистрируются обычно не 3-электроны, а жесткие у-кванты с энергиями 6,1, 6,9 и 7,1 МэВ, возникающие при переходе продукта распада — изотопа — в основное состояние. Примером использования ядерных реакций для элементного анализа может служить использование ракции 4Ве (у, п)4Ве для анализа на бериллий. Эта реакция имеет на редкость низкий порог 1,66 МэВ (обычно порог реакции (у, п) лежит в области 10 МэВ). Регистрируются вылетающие нейтроны. Малость порога, во-первых, делает метод исключительно селективным, а во-вторых, дает возможность использовать для активации дешевые и простые в обращении изотопные источники у-излучения.  [c.688]

Механизмы Я. р. Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром зависит от её кинетич. энергии, массы, заряда и др. характеристик. Он определяется теми степенями свободы ядра (ядер), к-рые возбуждаются в ходе столкновения. Различие между Я. р. включает и их разл. длительность. Если налетающая частица лишь касается ядра-мишени, а длительность столкновения приблизительно равна времени, необходимому для прохождения налетающей частицей расстояния, равного радиусу ядра-мишени (т. е. составляет 10 с), то такие Я. р. относят к классу прямых Я. р. Общим для всех прямых ядерных реакций является селективное возбуждение небольшого числа опре-дел. состояний (степеней свободы). В прямом процессе после 1-го столкновения налетающая частица имеет достаточную энергию, чтобы преодолеть ядерные силы притяжения, в область действия к-рых она попала. Примерами прямого взаимодействия являются неупругое рассеяние нейтронов (п, п ), реакции обмена зарядом, напр, (р, п). Сюда же относят процессы, когда налетающий нуклон и один из нуклонов ядра связываются, образуя дейтрон, к-рый вылетает, унося почти всю имеющуюся энергию [т. н. р е а к ц и я п о д х в а т а (р, d) ], или когда ядру передаётся нуклон из налетающей частицы (реакция срыва, напр, (d, р)]. Продукты прямых Я. р. летят преим. вперёд.  [c.668]

Степень радиационного воздействия на материалы при облучении их ней- тронами зависит от состава изотопов в химических компонентах материалов. Например, в результате (п, а) 5-реак ции в материалах появляется гелий, влияющий на процессы радиационного распухания, ползучести, охрупчивания. Для примера можно указать и другие ядерные реакции, которые могут приводить к дополнительному изменению свойств материалов  [c.451]

Моу Кио перечислить много примеров из различных областей науки и техники, показывающих эффективность масс-спектрометрии и свидетельствующих о дальнейшем развитии этого метода. Масс-спектрометры нашли широкое признание при 1) точном измерении масс ядер 2) определении изотопной распространенности элементов 3) измерении некоторых ядерных реакций 4) количественном поэлементном анализе твердых, жидких и газообразных веществ 5) изучении структуры сложных молекул 6) изучении кинетики химических реакций 7) определении потенциалов ионизации, потенциалов возбуждения, теплоты образо-вания и испарения, энергии химических связей и т. д. 8) исследовании в органической химии 9) изучении явлений сорбции и десорбции газов 10) изучении геохимических процессов, определении природы образования отдельных пород, определении хронологии и истории процессов, происходящих в земной коре 11) исследовании состава метеоритного вещества 12) изучении состава газов и динамики фракционирования их в верхних слоях атмосферы 13) изучении различных аспектов жизнедеятельности в биологии и медицине по методу меченых атомов стабильными изотопами N, С, Ю, °В и др. 14) автоматическом контроле и управлении технологическими процессами в химии, металлургии, нефтепромышленности и других областях.  [c.194]

Непосредственное изучение концентрационных профилей может быть проведено при использовании резонансных ядерных реакций, т. е. реакций, для которых поперечное сечение пренебрежимо мало, если энергия частиц отличается от резонансной. Это автоматически означает, что ядерная реакция будет происходить на вполне определенной глубине, зависящей от энергии первичного излучения. Примером является реакция происходящая при 10 Дж. Существенное развитие метода стало возможным в связи с развитием вычислительной техники.  [c.168]

Примеры типичных ядерных реакций приведены в табл. 1.  [c.124]

Проиллюстрируем первые два закона сохранения на примере нескольких ядерных реакций  [c.172]

Другой областью применения логарифмического масштаба являются процессы, при которых изменение величины пропорционально самой величине. К числу таких процессов относятся поглощение света однородной средой, апериодический разряд конденсатора на сопротивление, затухание сигнала вдоль трансляционной линии, цепная химическая или ядерная реакция. В первых примерах соответствующая величина убывает с расстоянием или временем, в последнем — возрастает. В общем виде закон изменения соответствующей величины может быть представлен как  [c.275]

В приведенной ниже краткой сводке ядерные реакции систематизированы по падающим частицам, производящим реакцию. Описаны только те типы, для которых известны два или более примера (обычно более), есть случаи, для которых хорошо установлены от 50 до 100 примеров. Исключаются все реакции, заключающиеся просто в захвате с последующим испусканием той же частицы и имеющие поэтому характер упругого или неупругого рассеяния.  [c.19]

Таким образом, хотя коллапсы и представляют собой необратимые процессы, эти процессы весьма своеобразны они протекают абсолютно спонтанно и не поддаются управлению извне, если иметь в виду только отдельные элементарные акты. Возникает вопрос можно ли в принципе рассуждать о каких-либо формах управления квантовыми коллапсами Определенную надежду на положительный ответ дает пример цепной реакции в атомном реакторе. Ведь эта реакция тоже построена на элементарных квантовых переходах, каждым из которых управлять нельзя. Но если управлять вероятностями переходов, то они, будучи умноженными на большое число участников процесса, автоматически становятся соответствующими макроскопическими переменными ядерной кинетики. После этого управление становится возможным. Итак, для управления нужно иметь много участников процесса.  [c.289]

Можно привести многочисленные примеры подобных процессов. Ограничимся упоминанием о том, что при течении электрического тока в проводнике выделяется теплота. Теплота выделяется и в объемах тепловыделяющих элементов, и в замедлителе ядерного реактора. Кроме того, при протекании некоторых химических реакций в объеме рассматриваемого тела выделяется (поглощается) теплота.  [c.51]

Следуя логике данных рассуждений, можно сказать, что и в случае химической реакции также должна выделяться энергия, вызванная разницей между суммарной массой молекул углерода и кислорода и массой молекулы углекислого газа. Это действительно так, однако в данном случае дефект массы составляет всего лишь а. е. м., тогда как эта же величина для дейтрона равна 0,00234 а. е. м. Данный пример еще раз иллюстрирует, что ядерные силы в миллион раз превосходят химические, как это и следует из соответствующей разницы в энергиях, выделяемых за счет дефекта массы. Конечно, выделяемая ядерная энергия, выраженная в атомных единицах массы, кажется также незначительной, поскольку, как мы помним, значение переводного множителя в формуле Эйнштейна чрезвычайно велико. Однако все меняется, если использовать в качестве единиц измерения электрон-вольты Одна атомная единица массы равна 931 МэВ, следовательно, энергия, освобождающаяся при образовании ядра дейтерия и соответствующая дефекту массы 0,00234 а. е. м., равна  [c.36]

Энергии, выделенной при образовании одной молекулы двуокиси углерода (при сгорании угля), достаточно для того, чтобы началось горение соседних атомов углерода. Таким образом, химическое горение является примером самоподдерживающейся цепной реакции однажды начавшись, она быстро распространяется по всему горючему (по цепочкам участвующих в ней атомов). При благоприятных условиях ядерное расщепление также может стать самоподдерживающимся процессом, однако, как мы увидим, крайне мало химических элементов, которые можно рассматривать как ядерное горючее . Так, уран — единственный встречающийся в природе элемент, в котором расщепление может превратиться в самоподдерживающуюся реакцию, а плутоний — другое основное ядерное топливо — получается искус-  [c.50]

Рассмотрим примеры ядерных реакций, возникающих под действием нейтронов. Такие реакции весьма многочисленны и разнообразны. Причина этого состоит в том, что для нейтрона не существует потенциального барьера ядра. Нейтрон с любой энергией (от долей электрон-вольта и до десятков мегаэлектрон-вольт) свободно проникает в любое ядро, включая и тяжелые. При этом каждый нейтрон приносит в ядро энергию, рав[1ую сумме его кинетической энергии и энергии связи в 7—8 Мэе. Возникающее при этом составное ядро оказывается в возбужденном состоянии и испытывает распад различными способами, в зависимости от степени возбуждения. Реакции, вызываемые нейтронами, можно подразделить на следующие виды  [c.281]

Выше ( 45) уже отмечалось, что первые ядерные реакции осуществлялись учеными имен о с а-частицами. Например, реакция Резерфорда (а, р) принадлежит к первому типу реакций. Вторым примером реакции первого типа является реакция с алюминием 1зАР (а, р) i4Si . Энергия реакции Q == – – 2,26 Мэе, выход составляет примерно 1 протон на 10 а-частиц. В диапазоне значений энергии а-частиц от 3,92 до 6,61 Мэе для выхода (и сечения) реакции обнаружено шесть резонансных максимумов.  [c.288]

Дальнейшее изучение показало, что эта ядерная реакция — эндоэнергетическая (Q = —1,06 Мзв) и что она имеет выход У = 2-10 (при Та = 7,8 Мэе). Любопытно заметить, что, несмотря на эндоэнергетичностъ данной ядерной реакции, максимальная энергия образующихся протонов оказывается выше максимальной энергии протонов отдачи, возникающих при упругом рассеянии а-частиц той же энергии на водороде. Мы предлагаем в качестве упражнения разобрать этот пример с помощью законов сохранения энергии и импульса и объяснить, почему (7 р)реакц> ( р)отд-  [c.441]

Роль других механизмов проанализируем на примере реакции (р, р ). На рис. 4.14 изображен энергетический спектр протонов, вылетающих под углом = 35° в реакции 2вРе (р, р ). Энергия налетающих протонов равняется 62 МэВ. Высокоэнергичная часть спектра ( = 50—60 МэВ) возникает от прямой ядер-ной реакции (см. 10). Налетающий протон тратит часть своей энергии ( 10 МэВ) на прямое возбуждение простых степеней свободы ядра. Высокий максимум при энергии Е = 5—7 МэВ соответствует испарительным протонам. Область спектра от 10—12 МэВ до 50 МэВ не описывается ни статистической теорией ядерных реакций, ни рассматриваемыми ниже в 10 прямыми реакциями. Существование такой области спектра характерно для реакции (р, р ) не только на Fe , но и на других ядрах. На рис. 4.15 приведены  [c.148]

Отнюдь не преследуя цели создания справочника по кинематике ядерных реакций, мы, тем не менее, сочли целесообразным включить в книгу ряд таблиц, графиков, числовых данных и примеров. Так, в приложении I даны графики связи углов и энергий для нескольких широко исследуемых взаимодействий с участием легких ядер или элементарных частиц. В приложении II приводятся таблицы значений коэффициентов Клебша—Жордана и Рака, а также числовые таблицы коэффициентов Z, и X.  [c.7]

Эффективные Ф. д. нашли широкое применение в пе-релятинистской кваптовой механике, главным образом в квантовой теории многих тел (теория конденсированных тел, теория ядерных реакций и т. д.). Пример таких диаграмм приведен на рис. 11. Они изображают расщепление дейт])она (двойная линия)  [c.295]

Ч. П12 сложной системы, состоящей из двух подсистем с Ч. соответственно П и П2, равна в системе центра инерции П з = П1П2(—1) , где Ь — орбитальный момент относит, движения подсистем 3) Ч. состояния составной частицы, определенная, согласно (3), в системе ее центра инерции, может трактоваться как внутренняя Ч. этой частицы, если ее структура несущественна для рассматриваемой конкретной проблемы. Эти 3 правила, справедливые и в релятивистской теории (для частиц с неравными нулю массами покоя), достаточны для использования закона сохранения Ч. ири исследовании структуры атомов и ядер, ядерных реакций и реакций сильных взаимодействий элементарных частпц. Из 1-го и 3-го правил следует, что внутренняя Ч. ядра (атома) совпадает с четностью чнсла нуклонов (электронов) в пезаполпеп-ных оболочках с нечетным орбитальным моментом р, /,…). Наир., нечетны ядро 1Л (3 нуклона в /1-оболочке) и атом фтора (5 электропов в 2Р-оболочке). Примером применения 2-го правила может служить ядерная реакция р— а-)-а17,2Л/эв, к-рая,  [c.412]

Когда конечные продукты реакции сильно отличаются от налетающей частицы (пример такой реакции — деление ядер), механизм С. я. является основным. В противном случае может быть значительным вклад прямых процессов (см. Прямые ядерные реакции). Описание ядерной реакции при номощи С. я. целесообразно, когда время жизни С. я. т для распада данного типа велико но сравнению с характерным для прямых процессов времени = Л/г> 10 сек, где II — радиус ядра, v— скорость частицы. Основной процесс распада С. я. — испускание (испарение) нейтронов. Для этого пропесса t/iq = ехр (В/Г), где В — энергия связи нейтрона, а Т — темп-ра С. я. (см. Статистическая модель ядра).  [c.586]

В зависимости от массовых чисел (VI.4.1.2 ) ядер различаются реакции на легких ядрах (Л100). По характеру происходящих ядерных превращений ядерные реакции весьма разнообразны. (Некоторые важные примеры приводятся в дальнейшем.)  [c.485]

Примеры такой записи — уравнения (16.5.15) и (16.5.16). Число независимых реакций ограничено числом реагирующих компонентов. В однородных системах, в которых изменение концентраций всех реагирующих компонентов определяется только химическими реакциями, для определения состояния системы вместо концентрации пи. можно выбрать степень полноты реакции Химический потенциал ли. функция р и Т. Однако, так как степень полноты реакции связывает изменения, как минимум, двух компонентов, в системах, содержащих г реагирующих веществ, имеется максимум (г — 1) независимых степеней полноты реакций Таким образом, все химические потенциалы могут быть выражены через функцию , Т). Откуда следует, что при любых заданных давлении р и температуре Т имеется только (г — 1) независимых степеней полноты реакций. Так как сродство Ак — линейная функция химических потенциалов, в системе с г реагируюш,ими компонентами могут быть максимум (г — 1) независимых величин сродства. (Иногда этот факт выводится с использованием закона сохранения масс в химических реакциях. Несмотря на то что это может быть справедливо в обычных химических реакциях, этот аргумент не сохраняет общность, например, для ядерных реакций, когда массы изменяются. В действительности, масса связана с химической реакцией, главным следствием которой является изменение числа молекул различных реагирующих компонентов.)  [c.356]

ГИГА… (от греч. gigas — гигантский), приставка к наименованию ед. физ. величины для образования наименования кратной единицы, равной 10 исходных ед. Обозначения Г, О. Пример 1 ГГц (гигагерц)=10 Гц. ГИГАНТСКИЙ РЕЗОНАНС, широкий максимум в зависимости сечения о ядерных реакций от энергии возбуждения ядра в результате его вз-ствия с налетающей ч-цей или -квантом  [c.116]

---

Тематика исследований | Объединенный институт ядерных исследований

Основными направлениями научных исследований Института являются теоретическая физика, физика элементарных частиц, ядерная физика и физика конденсированных сред. Не менее важная роль в ОИЯИ отводится прикладным исследованиям, а также развитию компьютерных сетей и распределенных вычислений. Эксперименты, исследования и работы в этих областях подробно описаны в Проблемно-тематическом плане ОИЯИ.

Теоретическая физика

Это раздел физики, в котором в качестве основного способа познания природы используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью. В такой формулировке теоретическая физика является самостоятельным методом изучения природы, хотя ее содержание, естественно, формируется с учетом результатов экспериментов и наблюдений за природой.

Тематика исследований в области теоретической физики

Лаборатории

Физика элементарных частиц

Это раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия. Физика элементарных частиц изучает самую глубинную суть нашего мира. Она пытается найти ответы на фундаментальные вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.

Тематика исследований в области физики элементарных частиц

Лаборатории

Ядерная физика

Это раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции). Задачи, возникающие в ядерной физике, — это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но все же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.

Тематика исследований в области ядерной физики

Лаборатории

Физика конденсированных сред

Это большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем (то есть систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью. Принципиальная особенность эволюции таких систем заключается в том, что ее (эволюцию всей системы) не удается «разделить» на эволюцию отдельных частиц. «Разбираться» приходится со всей системой в целом. Как результат, часто вместо движения отдельных частиц приходится рассматривать коллективные колебания. При квантовом описании эти коллективные степени свободы становятся квазичастицами. Это богатейшая область физики как с точки зрения математических моделей, так и с точки зрения приложений к реальности.

Тематика исследований в области физики конденсированных сред

Лаборатории

Сети, компьютинг

Компьютинг — способ решения трудоемких вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, чаще всего объединенных в параллельную вычислительную систему. Сюда входят так называемые Грид-вычисления (англ. grid — решетка, сеть) — форма распределенных вычислений, в которой «виртуальный суперкомпьютер» представлен в виде кластеров, соединенных с помощью сети, слабосвязанных гетерогенных компьютеров, работающих вместе для выполнения огромного количества заданий (операций, работ). Эта технология применяется для решения научных, математических задач, требующих значительных вычислительных ресурсов.

Тематика исследований в области сетей и компьютинга

Лаборатории

Прикладные исследования

Экспериментальная база ОИЯИ позволяет проводить не только передовые фундаментальные исследования, но и прикладные исследования в области физики конденсированного состояния вещества, в биологии, медицине, материаловедении, геофизике, инженерной диагностике, направленные на изучение строения и свойств наносистем и новых материалов, биологических объектов, на разработку и создание новых электронных, био- и информационных нанотехнологий.

Концепция дальнейшего развития ОИЯИ как многопланового международного центра фундаментальных исследований в области ядерной физики и смежных областях науки и техники предполагает эффективное использование результатов теоретических и экспериментальных, а также методических и прикладных исследований ОИЯИ в сфере высоких технологий путем их внедрения в промышленные, медицинские и иные технические разработки. Это обеспечит фундаментальные исследования дополнительными источниками финансирования и позволит организовать новые рабочие места.

Лаборатории

ядерных реакций | Безграничная химия

Уравновешивание ядерных уравнений

Чтобы сбалансировать ядерное уравнение, массовое число и атомные номера всех частиц по обе стороны от стрелки должны быть равны.

Цели обучения

Составьте сбалансированное ядерное уравнение

Основные выводы

Ключевые моменты

• Сбалансированное ядерное уравнение – это уравнение, в котором сумма массовых чисел (верхнее число в обозначении) и сумма атомных чисел уравновешиваются по обе стороны уравнения.
• Задачи ядерного уравнения часто задаются так, что одна частица отсутствует.
• Вместо использования полных уравнений во многих ситуациях для описания ядерных реакций используются компактные обозначения.

Ключевые термины

• барион : тяжелая субатомная частица, созданная связыванием кварков глюонами; адрон, содержащий три кварка. Они имеют полунечетный интегральный спин и, следовательно, являются фермионами.

Ядерные реакции могут быть показаны в форме, подобной химическим уравнениям, для которых инвариантная масса, то есть масса без учета дефекта массы, должна уравновешиваться для каждой стороны уравнения.4_2 \ text {He} [/ latex]

Литий-6 плюс дейтерий дает два гелия-4. : Визуальное представление уравнения, которое мы использовали в качестве примера.

Компактная запись радиоактивного распада

Вместо использования полных уравнений в стиле, приведенном выше, во многих ситуациях для описания ядерных реакций используются компактные обозначения. Этот стиль имеет форму A (b, c) D, что эквивалентно A + b дает c + D. Обычные легкие частицы часто сокращаются в этом сокращении, обычно p для протона, n для нейтрона, d для дейтрона, α , представляющего альфа-частицу или гелий-4, β для бета-частицы или электрона, γ для гамма-фотона и т. д.Реакция в нашем примере выше будет записана как Li-6 (d, α) α.

Уравновешивание уравнения радиоактивного распада

При балансировании ядерного уравнения важно помнить, что сумма всех массовых чисел и атомных номеров, указанных в верхнем левом и нижнем левом углу символа элемента, соответственно, должна быть одинаковой для обеих сторон уравнения. Кроме того, проблемы также часто выражаются в виде словесных задач, поэтому полезно знать различные названия радиоактивно испускаемых частиц.0 _ {- 1} \ text {e} \ rightarrow \ \ \? [/ Latex]

Это также можно было бы записать как полоний-214 плюс две альфа-частицы плюс два электрона, что дает? Чтобы решить это уравнение, мы просто складываем массовые числа, 214 для полония, плюс 8 (два раза четыре) для гелия (две альфа-частицы), плюс ноль для электронов, чтобы получить массовое число 222. Для атомного число, мы берем 84 для полония, прибавляем 4 (два раза два) для гелия, затем вычитаем два (два раза -1) для двух электронов, потерянных в результате бета-излучения, и получаем 86; это атомный номер радона (Rn).{222} _ {86} \ text {Rn} [/ latex]

Написание ядерных уравнений : Описывает, как написать ядерные уравнения для альфа- и бета-распада.

Ядерная энергия связи и дефект массы

Ядро весит меньше, чем его сумма нуклонов, величина, известная как дефект массы, вызванный высвобождением энергии при образовании ядра.

Цели обучения

Вычислить дефект массы и ядерную энергию связи атома

Основные выводы

Ключевые моменты

• Энергия связи ядра – это энергия, необходимая для разделения ядра атома на составляющие.
• Энергия связи ядра используется, чтобы определить, будет ли процесс деления или синтеза благоприятным.
• Дефект массы ядра представляет собой массу энергии, связывающей ядро, и представляет собой разницу между массой ядра и суммой масс нуклонов, из которых оно состоит.

Ключевые термины

• нуклон : одна из субатомных частиц атомного ядра, то есть протон или нейтрон.
• сильная сила : Ядерная сила, остаточная сила, отвечающая за взаимодействия между нуклонами, происходящая от цветовой силы.
• дефект массы : разница между расчетной массой несвязанной системы и экспериментально измеренной массой ядра.

Связующая энергия

Энергия связи ядра – это энергия, необходимая для разделения ядра атома на составные части: протоны и нейтроны или, вместе взятые, нуклоны. Энергия связи ядер всегда является положительным числом, поскольку всем ядрам требуется чистая энергия для разделения их на отдельные протоны и нейтроны.2 [/ латекс]

Здесь c – скорость света. В случае ядер энергия связи настолько велика, что составляет значительную массу.

Фактическая масса всегда меньше суммы индивидуальных масс составляющих протонов и нейтронов, потому что энергия удаляется при образовании ядра. Эта энергия имеет массу, которая удалена от общей массы исходных частиц. Эта масса, известная как дефект массы, отсутствует в образующемся ядре и представляет собой энергию, выделяемую при образовании ядра.

Дефект массы (M _d ) может быть рассчитан как разница между наблюдаемой атомной массой (m _o ) и ожидаемой из совокупных масс ее протонов (m _p , каждый протон имеет массу 1,00728 а.е.м.) и нейтроны (m _n , 1,00867 а.е.м.):

[латекс] \ text {M} _ \ text {d} = (\ text {m} _ \ text {n} + \ text {m} _ \ text {p}) – \ text {m} _ \ text {o} [/ латекс]

Ядерная связывающая энергия

Как только дефект массы известен, энергия связи ядра может быть рассчитана путем преобразования этой массы в энергию с использованием E = mc ² .Масса должна быть в килограммах.

Как только эта энергия, которая представляет собой количество джоулей на одно ядро, известна, ее можно пересчитать в нуклонные и пермольные величины. Чтобы преобразовать в джоули / моль, просто умножьте на число Авогадро. Чтобы преобразовать в джоули на нуклон, просто разделите на количество нуклонов.

Энергия связи ядра может также применяться к ситуациям, когда ядро ​​расщепляется на фрагменты, состоящие более чем из одного нуклона; в этих случаях энергии связи для фрагментов по сравнению с целым могут быть как положительными, так и отрицательными, в зависимости от того, где материнское ядро ​​и дочерние фрагменты попадают на кривую энергии связи ядра.Если новая энергия связи доступна при слиянии легких ядер или при расщеплении тяжелых ядер, любой из этих процессов приводит к высвобождению энергии связи. Эта энергия, доступная как ядерная энергия, может быть использована для производства ядерной энергии или создания ядерного оружия. Когда большое ядро ​​распадается на части, избыточная энергия испускается в виде фотонов или гамма-лучей, а также в виде кинетической энергии, когда выбрасываются различные частицы.

Энергия связи ядра также используется для определения того, будет ли деление или синтез благоприятным процессом.Для элементов легче, чем железо-56, синтез будет высвобождать энергию, потому что энергия связи ядра увеличивается с увеличением массы. Элементы тяжелее железа-56 обычно выделяют энергию при делении, так как произведенные более легкие элементы содержат большую ядерную энергию связи. Таким образом, на кривой энергии связи ядра есть пик у железа-56.

Кривая энергии связи ядра : На этом графике показана энергия связи ядра (в МэВ) на нуклон как функция числа нуклонов в ядре.Обратите внимание, что железо-56 имеет наибольшую энергию связи на нуклон, что делает его наиболее стабильным ядром.

Обоснование этого пика энергии связи – взаимодействие между кулоновским отталкиванием протонов в ядре, потому что одинаковые заряды отталкивают друг друга, и сильным ядерным взаимодействием, или сильным взаимодействием. Сильная сила – это то, что удерживает протоны и нейтроны вместе на коротких расстояниях. По мере увеличения размера ядра сильное ядерное взаимодействие ощущается только между нуклонами, которые расположены близко друг к другу, в то время как кулоновское отталкивание продолжает ощущаться по всему ядру; это приводит к нестабильности и, следовательно, к радиоактивности и делящемуся характеру более тяжелых элементов.

Пример

Рассчитайте среднюю энергию связи на моль изотопа U-235. Покажите свой ответ в кДж / моль.

Сначала необходимо рассчитать дефект массы. U-235 имеет 92 протона, 143 нейтрона и имеет наблюдаемую массу 235,04393 а.е.м.

[латекс] \ text {M} _ \ text {d} = (\ text {m} _ \ text {n} + \ text {m} _ \ text {p}) – \ text {m} _ \ text {o} [/ латекс]

M _d = (92 (1,00728 а.е.м.) +143 (1,00867 а.е.м.)) – 235,04393 а.е.м.

M _d = 1,86564 а.е.м.

Рассчитайте массу в кг:

1.{23} \ \ text {atom}} {\ text {мол}} \ times \ frac {1 \ \ text {kJ}} {1000 \ \ text {joules}} = [/ latex] 1,6762 x 10 ¹¹ [латекс] \ frac {\ text {kJ}} {\ text {мол}} [/ латекс]

Ядерная реакция: определение и примеры – стенограмма видео и урока

В химических реакциях участвуют электроны в атоме, в то время как в ядерных реакциях участвует ядро.

Chemistry Review and Terminology

Давайте сделаем небольшой обзор химии.Атом содержит ядро, в котором живут протоны и нейтроны, окруженное облаком электронов. Эти электроны живут в энергетических оболочках вокруг ядра. Атом наиболее стабилен, когда его внешняя оболочка заполнена. Атомам нравится быть стабильными. Они очень усердно работают, чтобы достичь уровня, на котором их внешние оболочки электронов заполняются путем объединения с другими атомами и потери или получения электронов. Это для химических реакций. Но, как я уже сказал, ядерные реакции имеют дело с частицами самого ядра. Эти частицы называются субатомными частицами.

Когда мы говорим о ядерных реакциях, некоторые термины меняются. Атом теперь называется нуклидом , и мы говорим о том, сколько протонов и нейтронов у него в ядре. Массовое число – это сумма протонов и нейтронов в ядре, а атомный номер – это количество протонов в ядре. Нуклиды представлены одним из двух способов: либо как 228 88 Ra, где верхний индекс – массовое число, а нижний индекс – атомный номер; или как радий-228, где число относится к массовому числу.

В ядерных реакциях нестабильные ядра спонтанно изменяют свое количество протонов и нейтронов, выделяя при этом много энергии и становясь более стабильными. Они могут испускать четыре типа нуклидов:

• Альфа-частица с зарядом +2
• Бета-частица с зарядом -1
• Позитрон, который имеет заряд +1
• Гамма-излучение с зарядом 0

В уравнении, показывающем ядерную реакцию, сумма атомных номеров и сумма массовых чисел должны быть равны с обеих сторон уравнения: 4 ядра 1 / 1H = ядро ​​4 / 2He + 2 бета-частицы + энергия.Бета-частица является одним из типов выбросов нуклидов и равна заряду -1.

Ядерные реакции приводят к гораздо большим изменениям энергии, чем химические реакции. Например, один грамм дейтерия, который содержится примерно в 30 литрах морской воды, произведет столько же энергии, сколько 9000 литров бензина.

По сравнению с химическими реакциями, ядерные реакции приводят к гораздо большим изменениям энергии.

Деление

Есть два основных типа ядерных реакций, деление и синтез. Деление ядра – это когда ядро ​​большого атома расщепляется на два или более фрагмента. Это высвобождает нейтроны и энергию. Ядерное деление может происходить самопроизвольно или запускаться при столкновении ядер с частицами. Когда ядра поражаются, из них вылетают нейтроны. Эти нейтроны продолжают поражать другие ядра, которые выделяют больше нейтронов, и начинается цепная реакция. Цепная реакция продолжается до тех пор, пока все ядра не будут расщеплены и все атомы снова не станут стабильными. При делении ядра, когда более крупный атом распадается, масса двух продуктов меньше массы исходного атома.2, где говорится, что масса и энергия прямо пропорциональны. Выигрыш в одном равен выигрышу в другом.

Деление ядер – вот что движет атомными электростанциями. Установки используют энергию, полученную при расщеплении атомов, обычно урана-235, для нагрева воды, которая превращается в пар, который приводит в действие паротурбинный генератор, который преобразует энергию в электрический ток.

Fusion

Ядерный синтез – это когда два маленьких атома объединяются, чтобы сформировать более крупное и стабильное ядро.Это высвобождает даже больше энергии, чем деление ядра. Легкие ядра сливаются в более крупное ядро, но большее ядро ​​имеет меньшую массу, чем все более легкие ядра. Масса теряется как энергия.

Это реакция звезд и нашего Солнца. На нашем Солнце ядра водорода объединяются в ядро ​​гелия. Наше солнце находится под сильным жаром и давлением, поэтому оно может осуществлять термоядерный синтез. Ученые работают над способами управления этим процессом на Земле, чтобы мы могли использовать его для производства энергии.

Ядерный синтез происходит на Солнце, где ядра водорода объединяются, образуя ядро ​​гелия.

Краткое содержание урока

Ядерные реакции отличаются от химических реакций тем, что в них участвуют субатомные частицы, расположенные в ядре атома. Есть два основных типа ядерных реакций: синтез и деление. Реакции синтеза – это когда два меньших ядра объединяются в более крупные ядра, выделяя при этом огромное количество энергии.Реакция деления противоположна синтезу. Это когда ядро ​​большого атома расщепляется на два или более фрагмента. Это высвобождает нейтроны и энергию. Реакции деления – вот что движет атомными электростанциями.

Результат урока

После просмотра видеоурока вы сможете проиллюстрировать разницу между ядерным делением и реакцией синтеза и описать, как они используются для получения энергии.

Ядерные реакции

	При радиоактивности одно ядро ​​распадается на две части.В других ядерных процессах два ядра сближаются, действуют друг на друга, и одно или оба претерпевают изменение. Это называется ядерной реакцией.
Условия ядерных реакций	Если два ядра окружены электронами, как в обычных условиях на Земле, ядерная реакция невозможна. Это связано с тем, что электронные облака двух ядер отталкиваются друг от друга, поскольку все электроны имеют отрицательный электрический заряд.Два атома могут “отскакивать” друг от друга или держаться вместе, образуя молекулу, но в любом случае ядра остаются разделенными на расстояние примерно 10 -10 м. Поскольку ядерная сила достигает расстояния примерно 10 -15 м, ни одно ядро ​​не может быть подвержено влиянию другого. Итак, чтобы произошла ядерная реакция, по крайней мере одно из ядер должно быть «голым», все его электроны удалены. Этого можно добиться, доведя материю до очень высоких температур (не менее 100 000 градусов).
Требуется высокая энергия	Теперь обнаженное ядро ​​A может прорваться через электронное облако атома B и приблизиться к ядру B. Но есть еще одна проблема. Оба ядра заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Это электрическое отталкивание действует на больших расстояниях и может помешать А и В сблизиться достаточно близко друг к другу для сильного взаимодействия. Электрическое отталкивание можно преодолеть, если ядра сближаются с большой скоростью.Это может произойти тремя способами: В ускорительной лаборатории, такой как Dynamitron, который раньше работал в подвале Ингерсолла, на ядра действуют сильные электрические и магнитные силы, и они разгоняются до высоких скоростей. Обратите внимание, это работает, потому что ядро имеет положительный электрический заряд. Это не может работать для атома, который нейтрален. Ускоритель производит узкий пучок ядер, движущихся вместе по прямой. При очень высоких температурах атомов не существует.Есть только отдельные ядра и электроны, все эти частицы движутся очень быстро. В отличие от пучка ускорителя, эти частицы беспорядочно движутся во всех направлениях. Так обстоит дело в интерьере солнце и звезды. Частицы, образующиеся при радиоактивности, в некоторых случаях являются быстро движущимися ядрами. Пучок быстрых частиц, скажем, ядер кислорода, приближается к цели, возможно, к твердому куску углерода. Многие частицы пучка проходят прямо через мишень (через электронные облака между ядрами углерода) и выходят с другой стороны, не приближаясь ни к каким ядрам углерода.Некоторые приближаются к ядру углерода, но просто отскакивают в каком-то другом направлении. Другие подвергаются ядерным реакциям.
	Вот несколько примеров ядерных реакций:
Реакция переноса	Предположим, что пучок состоит из редкого изотопа кислорода, 17 8 О. Следующее называется реакцией переноса:
	Один из 9 нейтронов кислорода перешел на углерод.Другой пример: предположим, что у вас есть пучок тяжелого водорода, 2 1 H, и мишень из неона, обычного изотопа, 20 Ne. Реакция переноса,
	может произойти. Снова переносится нейтрон.
Трансмутация	Также возможен перенос протона от одного ядра к другому:
	Обратите внимание, что когда ядро ​​азота теряет протон, у него остается 6 протонов и 7 нейтронов.Следовательно, он больше не может называться «азотом», потому что его атомный номер теперь равен 6. Атомный номер определяет химический элемент, и теперь его следует называть «углеродом». Аналогично, когда 2 1 H получает протон, он становится ядром с атомным номером 2; это гелий.
Постоянные протонное и нейтронное числа	Вы можете проверить правильность любой из этих ядерных реакций, заметив, что общее массовое число одинаково до и после реакции; также общий атомный номер такой же.Протоны и нейтроны не создаются и не уничтожаются; они просто перемещаются. Реакция (3) представляет собой превращение одного элемента в другой, что раньше называлось «трансмутацией элементов». Алхимики пытались превратить обычные металлы в золото, но безуспешно. Позже был признан принцип неизменности элементов в химических реакциях. В ядерных реакциях элементы меняются. Свинец был заменен на золото. (Реакция (3) показывает образование ядра углерода-13.Позже это ядро ​​соберет к себе 6 электронов и станет атомом углерода. Большой набор этих атомов будет представлять собой кусок углерода.) Вот более сложная реакция переноса, приводящая к новому элементу:
	Три нуклона от ядра гелия (один протон и два нейтрона) передаются для образования кислорода. Этот процесс произошел в первом эксперименте по трансмутации, проведенном Резерфордом в 1919 году, хотя полностью понять его удалось лишь несколько лет спустя.
Открытие нейтрона	Другой пример:
	Три частицы переходят от гелия к бериллию (что это такое?), Оставляя свободный нейтрон и углерод-12. Нейтрон может быть представлен как 1 0 n, поскольку он не имеет протонов и имеет массовое число 1. Реакция (5) – это реакция (5), в которой нейтрон был впервые обнаружен Чедвиком в 1932 году.Это также основа нейтронного генератора, который мы используем в лаборатория по радиоактивности. Частицы гелия-4 происходят из радиоактивного америция, а бериллий – это всего лишь кусок металла. Внутри большой бочки с водой образуются нейтроны, свободные от воды.
Реакции выбивания	Ядерная реакция может привести к образованию более чем двух продуктов, это называется реакцией выбивания:
Поглощение нейтронов	Иногда две ядерные частицы слипаются.Поглощением нейтронов называют следующие реакции:
	27 Al – обычный изотоп алюминия; 235 U – редкий изотоп урана. Эти продукты, алюминий-28 и уран-236, очень нестабильны и не встречаются в природе. (По этой причине 236 U не указан в вашей ядерной таблице.) Поглощение нейтронов важно в ядерном реакторе, где управляющие стержни, сделанные из материалов, которые легко поглощают нейтроны, поддерживают деление с постоянной скоростью.
Генератор нейтронов	Алюминий-28 – это ядро, которое вы будете изучать в лаборатории на радиоактивность. Эксперимент начинается, когда инструктор помещает диск из обычного алюминия ( 27 Al) внутрь нейтронного генератора. Нейтроны, образующиеся в результате реакции (5), ударяются о диск, и некоторые из них поглощаются ядрами алюминия, образуя искусственное ядро, 28 Al. Есть причина, по которой процессы поглощения, подобные (7) и (8), происходят с нейтронами.В приведенном выше обсуждении мы сказали, что если два ядра должны соединиться и вступить в реакцию, они должны двигаться быстро, чтобы преодолеть электрическое отталкивание. Если мы начнем с нейтрона, то между ним и каким-либо ядром нет электрического отталкивания. Следовательно, мы можем инициировать реакцию с нейтронами, даже если они движутся медленно. Оказывается, это важно для ядерных реакторов.
Медленные нейтроны	Другой важный момент, связанный с поглощением нейтронов, заключается в том, что этот процесс сильно зависит от скорости нейтронов.Поглощение нейтронов гораздо более вероятно, если скорость нейтронов мала. На более высоких скоростях (например, скорости радиоактивных частиц) нейтрон, попадающий в ядро, с большей вероятностью просто отскочит от него, вызывая отдачу ядра. Это немного похоже на попытку поймать резиновый мяч одной рукой. На высоких скоростях мяч может удариться о вашу ладонь и отскочить, но более медленный мяч может просто попасть в вашу руку.
Трансурановые элементы	В 30-е годы прошлого века большое количество экспериментальных работ было выполнено с нейтронами, поскольку ядерные реакции могут быть вызваны даже медленными нейтронами.Одной из задач было создание новых (искусственных) элементов с атомным номером выше Z = 92, урана. Если 238 U поглощает нейтрон,
	новый изотоп, 239 U, более нестабилен, чем 238 U (вспомните, что 238 U очень немного нестабилен; он подвергается радиоактивному распаду, но очень медленно). 239 U может бета-распад,
	Элемент с Z = 93 не встречается в природе (на Земле или где-либо еще во Вселенной).Он создается впервые в этом эксперименте. Это называется нептуний. Сам нептуний бета-распад,
	производство еще одного искусственного элемента – плутония.
На этом этапе вы должны начать работу над набором задач 5.
	Подобным образом другие элементы, помимо урана, создаются путем поглощения нейтронов с последующим одним или несколькими бета-распадами, что приводит к образованию ядер с большим количеством протонов – с более высоким атомным номером.Все они радиоактивны.
Рассеяние	Другой важный ядерный процесс, строго говоря, не подпадающий под категорию ядерных реакций, называется «рассеяние». В этом процессе два ядра объединяются и оказывают друг на друга сильные силы, но не происходит перегруппировки нейтронов и протонов. Два ядра не изменились, но их скоростей после взаимодействия отличаются от того, что было раньше.Обычно это может выглядеть как столкновение на бильярдном столе: одно ядро ​​неподвижно, другое входит и «ударяет» его, а затем два движутся под разными углами. В этом процессе падающее ядро ​​теряет часть своей энергии. Это важно в действии «замедлителя» в конструкции ядерного реактора.

Sch002: Ядерные реакции

Когда частица, такая как нейтрон или протон, проходит близко к ядро-мишень, оно может «разлетаться», меняя направление своего движения. путешествие и его кинетическая энергия.Рассеяние может быть «упругим». или «неэластичный». При упругом рассеянии ядро-мишень остается в основном состоянии, но при неупругом рассеянии может поглощать энергию падающей частицы (поглощенная энергия обычно переизлучается в виде гамма-лучей). Обе эти события представляют собой столкновения “двух тел”, как в бильярдном шаре. столкновения, и продукты разлетаются под разными углами. Математический анализ показывает, что энергии рассеянных частица и ядро ​​отдачи полностью определяются угол вылета рассеянной частицы и многие из эти угловые распределения были измерены или рассчитаны с годами.Пример показан на следующем рисунке: При самых высоких энергиях рассеяние в основном дифракция волны вокруг твердой сферы, и результаты похожи на дифракционные картины для света. Нападающий пик (при косинусе = 1,0) похож на яркое центральное пятно в дифракционная картина и колебания под большими углами (меньшие косинусы) аналогичны полосам, видимым для свет. Также возможно слияние падающей частицы вправо в ядро-мишень, тем самым добавляя его массу и кинетическую энергия в возбужденное “составное ядро”.”Если достаточно времени проходит до повторной эмиссии, составное ядро, как говорят, приходят в равновесие. Вы можете визуализировать происшествие частица подпрыгивает внутри ядра, пока все энергия была поделена с другими нуклонами в составная система. Однако эта составная система «горячая», почти как чайник на плите, и он может «испаряются» частицы так же, как из чайника испускается пар. Испарившиеся частицы могут быть такими же, как и падающие, или другое. Например, вы можете получить реакцию (n, 2n), или (n, p) реакция. Если равновесие достигнуто, частицы в соединении ядро будет отскакивать достаточно, чтобы “забыть” то, что направление, в котором изначально летела падающая частица В вторичные частицы оторвутся во всех направлениях с равномерная вероятность; это называют изотропной эмиссией. В энергетический спектр испускаемых частиц покажет распределение по форме похожи на испарение атомов из жидкости. Такие формы характеризуются температурой среды, и их называют «максвеллианами» или «распределениями Максвелла-Больцмана». в честь ученых, первоначально описавших их. При более высоких энергиях частицы не всегда приходят в равновесие. перед побегом из ядра. Вы могли представить себе только подпрыгивая несколько раз, а затем выделяя большую часть своей энергии нетронутый. Это называется «предравновесная эмиссия». Это также возможно, чтобы падающая частица одного типа передавала свою энергию к одному из другого типа, и у вас может быть предравновесный протон излучение от (n, p) реакции. Предравновесные частицы “помнят” больше об их первоначальном направлении, и они склонны выходите в прямом направлении.Они также имеют тенденцию выходить с большей энергией, чем уравновесные выбросы. Пример некоторых из этих эффектов показано на следующем рисунке: Пики при более низких вторичных энергиях – это «испарение». протоны и длинные плечи при более высоких вторичных энергиях в результате предравновесного испускания протонов. Эта фигура среднее значение по всем направлениям излучения, но более тщательный посмотрите, покажет, что частицы в плечах испускаются в прямом направлении.Этот сюжет был составлен из ENDF / B раздел нашей области данных.

Ядерные реакции на Солнце

Ядерные реакции на Солнце

ядро (15 миллионов ^o K!), фотосфера (видимая поверхность, 5700 ^o K, фотоны больше не сталкиваются, могут улетать), хромосфера (10,000 ^o K), корона (2 миллиона ^o K, низкая плотность, но высокая температура из-за магнитных полей и бурные конвективные движения нижних слоев, источник рентгеновского излучения)

Почему хромосфера и корона горячее фотосферы хоть они и дальше от ядра?

Как мы узнаем о внутренней части Солнца?

• нейтрино
  • слабо взаимодействуют с нормальным веществом
  • покинуть Солнце в течение нескольких секунд
  • Возможность наблюдать за продуктом из термоядерной активной зоны
  • Каждую секунду через вас проходят 10 триллионов нейтрино!
  • предполагают, что модель слияния в основном верна
• гелиосейсмология
  • Вибрации Солнца говорят нам о внутренней структуре
  • так же, как сейсмологи используют сейсмические волны для изучения структуры Земли
  • объемы подъема и опускания газа на поверхности Солнца с фиксированными частотами
  • указание на то, что энергия течет наружу через Солнце

Что является источником энергии Солнца?

• химическая энергия от сжигания ископаемого топлива (несколько тысяч лет)
• гравитационное сжатие, гравитационная потенциальная энергия —> кинетическая энергия —> тепло, излучение в космос (
• ???

Прекрасная логика Эйнштейна…

… если скорость света постоянна, приводит к забавным эффектам!

• увеличение массы со скоростью: ближе к скорости света, больше энергии уходит на увеличение массы частицы, чем на увеличение ее скорости
• может работать и в обратном направлении: преобразование массы в энергию, материя – это “ замороженная ” энергия
• E = mc ²

---

Деление

• нагревает ядро ​​Земли
• при расщеплении ядра компоненты имеют немного меньшую массу чем оригинал
• разница в массе преобразуется в энергию (через E = mc ² )
• цепные реакции
  • требует достаточно высокой концентрации
  • нейтронов выпущено в виде продуктов распада
  • каждый выпуск вызывает другой распад
  • продолжайте до тех пор, пока не будет достигнут стабильный элемент в середине таблицы Менделеева, такой как железо.

Слияние

• более легкие элементы превращаются в более тяжелые элементы по мере слияния более легких ядер
• объединенное ядро ​​имеет меньшую массу, чем исходные части, поэтому выделяется энергия
• даже в этом случае требуется огромная энергия частиц для преодоления электрического отталкивание протонов
• в отличие от деления не может происходить самопроизвольно – требуются экстремальные физические условия, такие как десятки миллионов градусов
• цель контролируемой реакции термоядерного синтеза, но материалы реактора плавятся при нескольких тысячах градусов!

Как Солнце генерирует энергию… и превращается из водорода в гелий

Цепь протон-протон (pp) (высвобождающиеся протоны высокой энергии, которые затем участвуют в новых реакциях) является одним путем:

• P + P -> D + позитрон + нейтрино (D или ² H = дейтерий, который представляет собой водород с 1 протоном и 1 нейтроном) (фильм: источник, Университет Орегона, профессор Грег Ботун)
• D + P -> He ₃ (фильм)
• He ₃ + He ₃ -> 2He + 2P (фильм)

И есть цикл CNO…

В конечном итоге изделия на 0,7% менее массивны, чем исходные материалы.

Каждую секунду Солнце преобразует 4 миллиона тонн водорода в энергию и излучает ее в космос!

Потребуется еще 4 миллиарда лет, чтобы поглотить весь водород Солнца.

Fusion происходит только в ядре (10 ⁷ K).

Обнаружение и масса нейтрино

Нажмите здесь, чтобы несколько часто задаваемых вопросов о нейтрино.

• нейтрино (“ маленькое нейтральное ”), предсказанное Паули для объяснения некоторых ядерных реакции, которые, по-видимому, не сохраняют энергию
• долгое время не обнаруживались, потому что они слабо взаимодействуют с другим веществом (Земля прозрачный для нейтрино)
• Детекторы нейтрино (телескопы) состоят из огромных изолированных резервуаров с очищенной водой (примеры включают глубокую шахту в Японии и камера под озером Эри) в окружении нескольких сотен светочувствительных детекторов
  • падающие нейтрино взаимодействуют с водой с образованием позитронов и электронов, которые быстро движутся сквозь воду и излучать темно-синий свет, который наблюдается с помощью чувствительных детекторов
  • нужно много воды, потому что вероятность того, что они будут взаимодействовать с водой, очень мала
  • Очищенная вода необходима, так как могут быть ложные срабатывания из-за примесей
  • Необходимы изолированные детекторы, потому что важно блокировать попадание других частиц в детектор
  • Необходимы чувствительные детекторы, поскольку уровень освещенности примерно такой же, как у видимого Земля от свечи на расстоянии Луны!

• нейтрино возникают в результате ядерных реакций в звездах, Большого взрыва, сверхновых…
  • Сверхновая 1987A, вероятно, испустила 10 ⁵⁸ нейтрино! но японская система обнаружил только 11, а озеро Эри только 8 за 13 секунд
  • , потому что нейтринные телескопы в Северном полушарии и SN1987A в Южном полушарии, зарегистрированные нейтрино уже прошли через Землю!
  • около миллиона человек действительно испытали взаимодействие нейтрино SN1987A со своими телами!
• типов нейтрино, которые мы можем обнаружить, превращаются в типы, которые мы не можем обнаружить (“ осцилляция нейтрино ”)

• осцилляции нейтрино подразумевают, что разные типы нейтрино не могут иметь одинаковую массу, поэтому даже если один тип безмассовый, другой тип должен иметь массу
• Если у нейтрино есть масса, то факт, что их так много, предполагает, что они могут вносить свой вклад к темной материи

---

Ядерная реакция – обзор

2 Анализ ядерных реакций

Ядерные реакции вызываются бомбардировкой анализируемых образцов ионами высоких энергий.Чаще всего используются ионы водорода и его изотопов дейтерия и трития, гелия, бора, азота и фтора. Обнаруженные частицы, возникающие в результате таких реакций активации, обычно представляют собой p, d, t, ³ He, α и γ-лучи (Амсел и Ланфорд, 1984). Примеры таких реакций активации для анализа фтора, водорода или кислорода, соответственно, представлены как:

(9) F19 + h2― → O11 + h5e― + γ―

(10) h2 + N15― → C12 + h5e― + γ―

(11) O18 + d2― → O19 + h2―

Активирующие ионы и возникающие в результате излучения подчеркнуты, соответственно, слева и справа от указанных выше реакций.В случаях, когда энергия α-частиц слишком мала для обнаружения, отслеживаются соответствующие γ-лучи. Есть много возможных реакций, влияющих на NRA. Однако существуют некоторые реакции, в зависимости от наличия падающего ионного пучка с желаемой энергией, которые обеспечивают лучшую и дополнительную информацию. Амзель и Лэнфорд (1984) пришли к выводу, что «эта способность NRA однозначно определять в одном неразрушающем измерении общее абсолютное количество легких ядер у поверхности твердых тел не имеет себе равных ни в одном другом аналитическом методе и имеет множество полезных применений.”Профили глубины определяются путем измерения энергии продукта (заряженных частиц). Во многих случаях это вызывает проблемы, потому что «энергия обнаруженных частиц (из-за большой скорости центра масс) мала и почти не зависит от глубины, на которой эта частица возникает» (Lanford, 1995). D, ³ He, ⁶ Li, ⁷ Li, ¹⁰ B, ¹¹ B, ⁹ Be, ¹² C, ¹³ C, ¹⁴ N, ¹⁵ N, ¹⁶ O, ¹⁷ O, ¹⁸ O, ¹⁹ F, и некоторые более тяжелые ядра, таким образом, могут быть обнаружены.

Резонансные ядерные реакции позволяют значительно улучшить профилирование по глубине. В таких реакциях сечение реакции велико при заданной (резонансной) энергии падающей частицы и очень мало при энергиях ниже или выше резонансной энергии. Полезность этого типа реакции может быть описана, исследуя реакцию уравнения. (10) где ¹⁵ ионов N используются для обнаружения ¹ H. Для этой реакции энергия резонанса составляет 6,385 ± 0,005 МэВ (Lanford 1995).Таким образом, если образец подвергается бомбардировке ионами этой энергии, будет обнаружен только поверхностный водород, поскольку на глубине ниже поверхности ионы будут терять энергию (во время проникновения), и никакой резонансной ядерной реакции не произойдет. Однако, если энергия ¹⁵ Н больше, чем 6,385 МэВ, на поверхности не будет происходить никакой реакции. По мере того, как ионы перемещаются на глубину ниже поверхности, они теряют энергию, и когда энергия ионов равна 6,385 МэВ, происходит реакция, позволяющая обнаруживать водород на этой глубине.Таким образом, путем измерения выхода характеристического продукта (в данном случае γ-квантов) как функции начальной энергии пучка, создается глубинный профиль концентрации водорода. Также отмечается, что существуют другие резонансные ядерные реакции, которые можно использовать для обнаружения водорода и профилирования его глубины. Уравнение. (10) имеет наибольшее поперечное сечение и наименьшую ширину резонанса (Lanford, 1992). Среди других ядер, которые могут быть профилированы по глубине с помощью резонансной ядерной реакции, в основном с использованием (p, γ) или (p, αγ) реакций, находятся ¹³ C, ¹⁵ N, ¹⁸ O, ¹⁹ F, ²⁰ Ne, ²³ Na, ²⁷ Al, ³⁰ Si, ⁵² Cr и ⁶⁸ Ni (Amsel and Lanford 1984).

Согласно Амселю и Ланфорду (1984) «NRA является неразрушающим, чувствительным, быстрым, нечувствительным к эффектам твердотельной структуры, за исключением монокристаллической структуры (которая позволяет проводить эксперименты с канализацией), может использоваться с тонко сфокусированными микропучками. , и благодаря простоте обращения с пучком, позволяет проводить экспериментов на месте при низкой и высокой температуре, низком давлении пара или в сверхвысоком вакууме или на крупных объектах ». Однако NRA не предоставляет химической информации (H в H ₂ или H в H ₂ O или CH ₄ ), не предоставляет анализы концентрации, усредненные по площади воздействия луча, и лучше всего подходит для легких элементов.Наилучшая эффективность обнаружения находится в диапазоне ppm.

2.3 Ядерные реакции – Physics @ Hyndland

2.3 Ядерные реакции

Для изучения ядерных реакций необходимо определить ряд терминов, используемых для описания ядра.

Нуклон

Нуклон – это частица в ядре, то есть протон или нейтрон.

Атомный номер

Атомный номер Z равен количеству протонов в ядре.В химическом символе элемента он записывается в виде нижнего индекса перед символом элемента

.

Пример: в ядре атома урана 92 протона, поэтому мы пишем ₉₂ U

Массовое число

Массовое число A – это количество нуклонов в ядре. В химическом символе элемента он записывается как надстрочный индекс перед символом элемента.

Пример: один тип атома урана имеет 235 нуклонов, поэтому мы пишем ²³⁵ U

Каждый элемент периодической таблицы имеет свой атомный номер и идентифицируется этим номером.Возможны разные версии одного и того же элемента, называемые изотопами. Изотоп атома имеет такое же количество протонов, но другое количество нейтронов, то есть тот же атомный номер, но другое массовое число. Изотоп идентифицируется указанием его химического символа вместе с его атомным и массовым числами. Например:

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад – это распад ядра с высвобождением энергии и вещества из ядра.Это основа слова «ядерный». Высвобождение энергии и / или вещества позволяет нестабильным ядрам достичь стабильности. Неустойчивые ядра называют радиоизотопами или радионуклидами.

Представление распада символами и уравнениями

В следующих уравнениях и массовое число, и атомный номер сохраняются, то есть итоговые значения одинаковы до и после распада. Первоначальный радионуклид называется родительским, а новый радионуклид, образующийся после распада, называется дочерним продуктом.

Альфа-распад

Уран-238 распадается в результате альфа-излучения с образованием тория-234

Массовое число уменьшается на 4, атомный номер уменьшается на 2 (из-за потери 2 протонов и 2 нейтронов).

Альфа-распад обычно происходит в тяжелых ядрах, таких как уран или плутоний, и поэтому является основной частью радиоактивных осадков от ядерного взрыва.Поскольку альфа-частица относительно более массивна, чем другие формы радиоактивного распада, она может быть остановлена ​​листом бумаги и не может проникнуть через кожу человека. Альфа-частица с энергией 4 МэВ может пройти по воздуху всего несколько сантиметров.

Хотя диапазон альфа-частицы невелик, при проглатывании альфа-распадающегося элемента альфа-частица может нанести значительный ущерб окружающей ткани. Вот почему плутоний с длительным периодом полураспада чрезвычайно опасен при проглатывании.

Бета-распад

Атомы испускают бета-частицы в процессе, известном как бета-распад.Бета-распад происходит, когда в ядре атома слишком много протонов или слишком много нейтронов. Возможны два типа бета-распада. Один тип (положительный бета-распад) высвобождает положительно заряженную бета-частицу, называемую позитроном, и нейтрино; другой тип (отрицательный бета-распад) высвобождает отрицательно заряженную бета-частицу, называемую электроном, и антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино являются элементарными частицами высокой энергии с небольшой массой или без нее и высвобождаются для сохранения энергии во время процесса распада.Отрицательный бета-распад встречается гораздо чаще, чем положительный бета-распад.

Свинец 210 распадается бета-излучением с образованием висмута 210.

Массовое число не изменилось, атомный номер увеличился на 1.

Гамма-распад

Гамма-лучи – это тип электромагнитного излучения, возникающего в результате перераспределения электрического заряда в ядре. Гамма-лучи – это, по сути, очень энергичные рентгеновские лучи; различие между ними основано не на их внутренней природе, а, скорее, на их происхождении.Рентгеновские лучи излучаются во время атомных процессов с участием энергичных электронов. Гамма-излучение испускается возбужденными ядрами или другими процессами с участием субатомных частиц; он часто сопровождает альфа- или бета-излучение, поскольку ядро, испускающее эти частицы, может оставаться в возбужденном (более высокоэнергетическом) состоянии.

Гамма-излучение более проникающее, чем альфа- или бета-излучение, но менее ионизирующее. Гамма-лучи от ядерных осадков, вероятно, вызовут наибольшее количество жертв в случае применения ядерного оружия в ядерной войне.Они вызывают повреждения, аналогичные повреждениям, вызванным рентгеновскими лучами, например ожоги, рак и генетические мутации.

Пример

Торий 230 распадается на радон. Назовите имя испускаемой частицы и дайте уравнение для этого распада. (Атомный номер тория – 90, а радона – 88).

Решение

Поскольку атомный номер радона меньше, чем тория, должна быть испущена альфа-частица.

Ядерное деление

Деление происходит, когда тяжелое ядро ​​распадается, образуя два ядра меньшего массового числа.Этот радиоактивный распад является спонтанным делением. В этом процессе распада ядро ​​разделится на два почти равных фрагмента и несколько свободных нейтронов. Также выделяется большое количество энергии. Большинство элементов не распадаются таким образом, если их массовое число не превышает 230.

Блуждающие нейтроны, высвобождаемые самопроизвольным делением, могут преждевременно инициировать цепную реакцию. Это означает, что время сборки для достижения критической массы должно быть меньше скорости спонтанного деления.Ученые должны учитывать скорость самопроизвольного деления каждого материала при разработке ядерного оружия или для ядерной энергетики. Например, скорость спонтанного деления плутония-239 примерно в 300 раз больше, чем у урана-235.

Деление также можно вызвать (заставить его произойти) нейтронной бомбардировкой.

Это то, что происходит в ядерном реакторе, и дается уравнением;

Массовое число и атомный номер сохраняются во время этой реакции.Несмотря на то, что массовое число сохраняется, при точном сравнении масс до и после деления возникает разница в массах. Общая масса до деления больше, чем общая масса продуктов.

Эйнштейн предположил, что масса – это форма энергии, и что при уменьшении массы производится эквивалентное количество энергии.

Энергия в реакции деления

Знаменитое уравнение Эйнштейна показывает, как связаны масса и энергия;

В реакциях деления выделяющаяся энергия уносится в виде кинетической энергии продуктов деления.

В ядерных реакторах происходят реакции деления. Выделяющиеся нейтроны движутся быстро. Модератор, например графит используется для их замедления и увеличения вероятности возникновения дальнейших делений.

Цепная реакция относится к процессу, в котором нейтроны, высвобождающиеся при делении, производят дополнительное деление по крайней мере в одном дополнительном ядре. Это ядро, в свою очередь, производит нейтроны, и процесс повторяется. Процесс может быть контролируемым (ядерная энергетика) или неконтролируемым (ядерное оружие).

Эти медленные (тепловые) нейтроны вызывают цепную реакцию, в результате чего происходит большее количество делений. Управляющие стержни, например бор, поглощает часть медленных нейтронов и держит цепную реакцию под контролем. Кинетическая энергия продуктов деления преобразуется в тепла в активной зоне реактора.

Пример

Вычислить энергию, выделяющуюся во время этой реакции деления

Деление ядер в ядерных реакторах

В ядерных реакторах происходят контролируемые реакции деления .Выделяющиеся нейтроны движутся быстро.

Замедлитель , например графит, используется для их замедления и увеличения вероятности дальнейшего деления.

Эти медленных (тепловых) нейтронов вызывают цепную реакцию, так что происходит больше делений.

Управляющие стержни , например бор, поглощают часть медленных нейтронов и удерживают цепную реакцию под контролем.

Энергия движущихся продуктов деления передается за счет нагрева в активной зоне реактора.

Охлаждающая жидкость Жидкость (жидкость или газ) требуется, чтобы избежать перегрева активной зоны, и, кроме того, она может действовать как

модератор.

Жидкость превращается в пар, который приводит в движение турбины.

Реакторы деления требуют герметизации внутри железобетонных и футерованных свинцом контейнеров для уменьшения загрязнения.

Ядерная Fusion

Ядерная энергия также может быть высвобождена путем слияния двух легких элементов (элементов с низкими атомными номерами).

В водородной бомбе два изотопа водорода, дейтерий и тритий сливаются с образованием ядра гелия и нейтрона.

В отличие от ядерного деления, нет ограничений на количество возможного синтеза. Огромная энергия, производимая нашим Солнцем, является результатом ядерного синтеза.

Очень высокие температуры на Солнце (2,3 × 107 К по данным НАСА) дают ядрам достаточно энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания и слиться друг с другом.Когда ядра сливаются, конечная масса меньше начальной массы, т. Е. Существует разница масс или дефект массы. Произведенная энергия может быть рассчитана с помощью:

Пример слияния

Ядерная реакция может быть представлена ​​как:

Еще раз было обнаружено, что общая масса после реакции меньше, чем общая масса до.Это уменьшение массы проявляется как увеличение кинетической энергии частиц.

A Fusion Reactor
Термоядерный синтез был успешно осуществлен с помощью водородной бомбы. Однако это была неконтролируемая реакция синтеза, и ключом к использованию синтеза в качестве источника энергии является контроль.

Joint European Torus (JET) в Оксфордшире – крупнейшее в Европе термоядерное устройство.В этом устройстве реакции синтеза дейтерия и трития происходят при температуре более 100 миллионов кельвинов. Еще более высокие температуры требуются для реакций дейтерий-дейтерий и дейтерий-гелий 3

Для поддержания синтеза одновременно должны выполняться 3 условия.

• Чрезвычайно высокая температура плазмы ( T ): 100–200 миллионов К
• Стабильная реакция продолжительностью не менее 5 секунд.Это называется временем удержания энергии ( t )
• Точная плотность плазмы около 1020 частиц / м3

(Это одна тысячная грамма / м3 = одна миллионная плотности воздуха).

Один из типов термоядерных реакторов называется «Токомак». В этой конструкции плазма нагревается в сосуде в форме тора или «бублика».

Горячая плазма удерживается на расстоянии от стенок сосуда с помощью приложенных магнитных полей. Это показано на диаграмме справа.

Одно из основных требований для термоядерного синтеза – нагрев частиц плазмы до очень высоких температур или энергий. Методы, описанные на следующей странице, обычно используются для нагрева плазмы – все они используются в JET.

Индуктивный ток

Основной плазменный ток индуцируется в плазме под действием большого трансформатора .Изменяющийся ток в первичной катушке индуцирует мощный ток (до 5 миллионов ампер на JET) в плазме, которая действует как вторичная цепь трансформатора.

Нейтральный нагреватель

Пучки высокой энергии (нейтральных) атомов дейтерия или трития инжектируются в плазму, передавая свою энергию плазме через столкновения с ионами.

Радиочастотный обогрев

Электромагнитные волны с частотой, соответствующей ионам или электронам, могут возбуждать частицы плазмы.Это похоже на ускоряющие структуры в ускорителе частиц.

Самонагрев плазмы

Ионы гелия (или так называемые альфа-частицы), образующиеся при слиянии дейтерия и трития, остаются в магнитной ловушке плазмы в течение некоторого времени, прежде чем они будут откачаны через дивертор. Нейтроны (будучи нейтральными) покидают магнитное поле, и их захват на будущей термоядерной электростанции станет источником термоядерной энергии для производства электричества.

Безубыток и зажигание

Когда мощность термоядерного синтеза равна мощности, необходимой для нагрева и поддержания плазмы, достигается безубыточность .Однако только энергия синтеза, содержащаяся в ионах гелия, нагревает топливные ионы дейтерия и трития (за счет столкновений), чтобы поддерживать реакцию синтеза. Когда этого механизма саморазогрева достаточно для поддержания температуры плазмы, необходимой для термоядерного синтеза, реакция становится самоподдерживающейся (т.