Примеры ядерных реакций – Уравнение ядерных реакций. Закон сохранения нуклонов. Примеры. Запись формы частиц

Содержание

Примеры ядерных реакций: особенности, решение и формулы

На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов – точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно – но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.

Общее понятие о ядерных реакциях

Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:

  • превращение одного химического элемента в другой;
  • деление ядра;
  • синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.

Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы – это возможные пути, по которым реакция будет протекать.

Правила записи ядерных реакций

В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.

Первый способ – тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой – продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:

94

Be + 42He → 126C + 10n.

Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние – количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.

Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:

94Be (α, n) 126C.

Общий вид такой записи: A (a, b1b2…) B. Здесь A – ядро-мишень; a – налетающая частица или ядро; b1, b2 и так далее – легкие продукты реакции; B – конечное ядро.

Энергетика ядерных реакций

В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.

Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.

В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий – электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы – разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = E

св/c2. Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zmp + Amn – Мя, где Z – заряд ядра, A – массовое число, mp – масса протона (1,00728 а.е.м.), mn – масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), Mя – масса ядра.

При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc2/A).

Энергия связи и стабильность ядер

Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.

Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же – напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.

Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.

Реакции распада

Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.

Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число – на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:

22688Ra → 22286Rn + α (42He).

Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.

Бета-распад, обусловленный слабым взаимодействием, происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:

189K → 188Ar + e+ + νe.

Энергия бета-распада фтора-18 – около 0,63 МэВ.

Деление ядер

Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко – три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.

Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:

23592U + 10n → 14456Ba + 8936Kr + 3 10n.

Расщепление на барий-144 и криптон-89 – лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 23592U + 10n → 23692U* → 14456Ba + 8936Kr + 3 10n, где 23692U* – сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра – примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 10

4 мегаджоулей.

Цепные реакции

Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью – наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.

Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = N

i/Ni–1 (здесь N – количество частиц, i – порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа – взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.

Ядерный синтез

Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер – так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.

Пример ядерной реакции синтеза – образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:

21H + 31H → 42He + 10n.

Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ – ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) – с другой.

В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия – самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.

Примеры решения задач

Рассмотрим реакцию деления 23592U + 10n → 14054Xe + 9438Sr + 2 10n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:

Q = Δmc2 = (mA + mB – mX – mY + …) ∙ c2.

Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:

Q = (235,04393 + 1,00866 – 139,92164 – 93,91536 – 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.

Еще один пример – на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла – главного источника солнечной энергии.

32He + 32He → 42He + 2 11H + γ.

Применим ту же формулу:

Q = (2 ∙ 3,01603 – 4,00260 – 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.

Основная доля этой энергии – 12,8 МэВ – приходится в данном случае на гамма-фотон.

Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.

fb.ru

51.Основные типы ядерных реакций (примеры)

51.Основные типы ядерных реакций (примеры). Эффективное сечение ядерных реакций. Наведенная активность; ее расчет. Применение радиоактивных изотопов.

Ядерными реакциями называются любые превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с элементарными частицами, гамма-квантами или другими ядрами. Такие взаимодействия становятся возможными при сближении реагирующих частиц на расстоянии, сравнимые с размером ядра (около 10-15 м).

Заряженным частицам необходимо преодолеть потенциальный барьер электрических сил отталкивания, поэтому с ними ядерные реакции могут происходить только при больших энергиях частицы (несколько МэВ). Для нейтральных частиц реакции возможны при любой энергии частицы.

(Здесь Н – ядро водорода или, что то же самое, протон).

В результате ядерных реакций часто (хотя не обязательно) возникают радиоактивные изотопы. Такой процесс называют активацией. при облучении веществ потоком частиц (квантов), для разных элементов вероятность взаимодействия частиц с ядрами весьма различна. Например, при воздействии медленными нейтронами на образцы кобальта (59Со) и железа (56Fe), содержащие одинаковое число атомов, в кобальте в 30 тыс. раз больше ядерных реакций, чем в железе. Можно сказать, что вероятность взаимодействия медленных нейтронов с ядрами Со в 30 тыс. раз выше, чем с ядрами Fe. Количественной мерой вероятности взаимодействия частицы с ядром является величина, называемая эффективным сечением реакций, обозначаемая буквой сигма.

Пусть кусок однородного вещества, содержащий N атомов, облучают частицами или квантами при плотности потока Ф (плотность потока = числу частиц, падающих на ед. площади в ед. времени). Тогда число ядерных реакций «n будет прямо пропорционально числу атомов n, плотности потока Ф и времени облучения t:

nреакций= сигма*ФNt

Коэффициент сигма – эффективное сечение данной реакции и измеряется в метрах кв. или сантиметрах кв.

Величина эффективного сечения определённой ядерной реакции зависит, в первую очередь, о природы изотопа и рода частиц, участвующих в реакции; кроме того, существенное значение имеет энергия частиц.

Значение величины эффективного сечения для различных веществ необходимо для расчетов, связанных с получением изотопов, созданием атомного оружия, оценкой воздействия ионизирующих излучений на различные объекты и т. д.

При облучении нейронами вода становится радиоактивной следствие захвата нейтронов ядрами кислорода, что приводит к образовании радиоактивных изотопов кислорода. 16О + N = 17O

18О+ N = 19O (сигма 1 = 10-6бн, сигма 2 = 0,95бн)

Число атомов 18О в воде в миллион раз меньше, чем 16О; можно было бы думать, что тяжелый изотоп не играет ни какой заметной роли. Но эффективное сечение захвата нейтрона для 18О почти в миллион раз больше, чем для 16О, и из-за этого почти оба изотопа вносят почти одинаковый вклад в активацию воду.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ МАССЫ И ЭНЕРГИИ В ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ

Ядерные реакции могут протекать как с поглощением, так и с выделением энергии. Эта энергия, в соответствии с формулой Эйнштейна, численно равна разности масс исходного и конечного ядер, умноженный на квадрат скорости света, т. е. для ядерных реакций закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяется с помощью формулы Эйнштейна.

Если сумма масс исходных ядер и частиц больше суммы масс продуктов реакции, реакция идёт с выделением энергии.

Радиоактивность, возникшую в веществе после облучения нейтронами, называют наведённой радиоактивностью. Именно путём активации получают большинство радиоактивных изотопов, применяемых в медицине и других областях. Например, изотоп кобальта (5927Со+n=6027Со+гамма). Расчет наведённой активности может быть рассчитан по формуле: A=0,693*сигма*Ф*t*m*Na/T*M

studfiles.net

ПРИМЕРЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Познакомимся теперь поближе с несколькими ядер – ными реакциями.

Для сокращённой записи ядерных реакций условились заряд ядра указывать перед – химическим значком каждого из атомов, участвующих в реакции, а массовое число — после него. В этих обозначениях реакция превращения ге­лия в литий, о которой мы говорили выше, записывается так:

2Не*+ ,№ —► 8Ы5.

Гелий протон литий

Нейтроны тоже могут проникать в атомные ядра и застревать в них. Так происходит, например, превращение лёгкого водорода в тяжёлый:

+ 0п‘ —

Лёгкий нейтрон тяжёлый

Водород водород

Во многих случаях ядро, которое образуется в резуль­тате реакции, мгновенно выбрасывает какую-нибудь из входящих в него частиц. Такая картина наблюдается, на­пример, при получении трития из лития 6:

31л« + оП1 -^3ЬГ -> ,№ + 2Не4 .

Литий нейтрон литий тритий альфа-

Частица

Ядро изотопа литий 6, поглотив нейтрон, превращается в ядро изотопа литий 7, но это ядро тут же выбрасывает альфа-частицу, превращаясь в ядро трития.

Превращение ртути в золото, о котором рассказыва­лось выше, может быть осуществлено несколькими пу­тями. Один из них таков:

80Нё™>+ 0п> —► 80Ь^Ш —► 7вАи198

Ртуть нейтрон ртуть золото протон

В этой реакции нейтрон выбивает из ядра ртути один протон, и атом ртути превращается в атом золота.

При ядерных реакциях строго сохраняются заряды и массовые числа участвующих в реакции ядер. Поэтому суммы зарядов и массовых чисел в левой и правой частях реакции всегда равны.

В рассмотренных реакциях заряд ядра меняется не больше, чем на две единицы. Пользуясь такими ядерными реакциями, можно исходный элемент превратить в эле­мент, отстоящий от исходного только на одну или две кле­точки в периодической системе Менделеева.

В настоящее время известно несколько тысяч подоб­ных реакций. Среди них особенный интерес представляют реакции, которые приводят к образованию искусственно радиоактивных ядер. Такие ядра в большом количестве возникают и при освобождении атомной энергии.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

Большую ценность представляют и последние два про­дукта атомного котла — нейтроны и гамма-лучи. Котёл производит их в огромных количествах. Например, из котла, мощностью в 10 ООО киловатт, через площадку в …

ГДЕ И КАК ПРИМЕНЯЮТСЯ МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

В жизни растений важную роль играет фосфор, извле­каемый ими из почвы в виде солей фосфорной кислоты — фосфатов. Как узнать, каким частям растения он более нужен, где он накапливается в …

МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

Большинство процессов, происходящих в природе, свя­зано с движением атомов и молекул. Растворение соли в воде, выплавка металла в доменной печи, дыхание и питание живых организмов — всё это сопровождается движением …

msd.com.ua

Ядерные реакции: просто и понятно

Содержание:

  • Что такое ядерные реакции

  • Немного истории ядерных реакций

  • Какие ядерные реакции есть в физике

  • Деление атомных ядер

  • Термоядерные реакции

  • Ядерные реакции, видео
  • Расщепление ядра атома и способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

    Что такое ядерные реакции

    Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

    Немного истории ядерных реакций

    Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

    А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

    Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

    Типичная формула ядерной реакции.

    Какие ядерные реакции есть в физике

    В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

    • деление атомных ядер
    • термоядерные реакции

    Ниже детально напишем о каждой из них.

    Деление атомных ядер

    Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деления ядер атома урана, продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.

    Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

    Вот так она выглядит на схеме.

    При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

    Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

    Термоядерные реакции

    В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

    Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

    Ядерные реакции, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.


    www.poznavayka.org

    5. Ядерные реакции. Эффективное сечение ядерных реакций. Наведенная активность

    Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

    Способы записи ядерных реакций

    Употребляется два способа записи Я.р. Один из них аналогичен обычным хим. уравнениям, например:

    причем вместо знака равенства чаще пишется стрелка, чтобы подчеркнуть, в каком направлении идет ядерная реакция. В правой части может быть указан энергетический выход реакции Q (в МэВ). Положительное значение Q соответствует выделению, а отрицательное – поглощению энергии в ядерной реакции.

    Во втором (сокращенном) способе записи выделяются тяжелые ядра (мишень и продукты реакции), а бомбардирующая и выбрасываемая (или выбрасываемые) более легкие частицы пишутся в скобках и разделяются запятой. Указанная выше реакция записывается при этом как 13C(, n)16O, а все реакции такого типа называют реакциями (, n). Большое значение в астрофизике имеют также реакции (p,), (n,), (p, n), (p, 2n), () и др.

    Энергетический выход ядерной реакции

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

    Энергетическим выходом реакции Q наз. разность между суммарными энергиями покоя всех частиц до и после Я.р. Если Q >0, то суммарная энергия покоя уменьшается в процессе Я.р. Такие Я.р. наз. экзоэнергетическими или беспороговыми. В принципе они могут протекать при сколь угодно малой начальной кинетической энергии частиц. Наоборот, при Q <0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции наз. эндоэнергетическими или пороговыми. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину (порог реакции).

    Механизмы ядерных реакций. Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных свойств взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление называется упругим взаимодействием (или упругим рассеянием). В приведенном выше примере с участием ядер 27А1 ему отвечает ядерные реакции 27А1(п, п)27А1. Нуклон бомбардирующей частицы, попав в ядро, может столкнуться с нуклоном ядра. Если при этом энергия одного или обоих нуклонов окажется больше, чем энергия, нужная для вылета из ядра, то они оба (или хотя бы один из них) покинут ядро. Этотак называемый прямой процесс. Время, за которое он протекает, соответствует времени, за которое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно около 10-22 с. Прямой процесс возможен при высоких энергиях бомбардирующей частицы. При средних и невысоких энергиях бомбардирующей частицы ее избыточная энергия перераспределяется между многими нуклонами ядра. Происходит это за время 10-15-10-16 с. Это время отвечает времени жизни так называемого составного ядра – ядерной системы, образующейся в ходе ядерные реакции в результате слияния налетающей частицы с ядром-мишенью. За этот период избыточная энергия, полученная составным ядром от налетевшей частицы, перераспределяется. Она может сконцентрироваться на одном или неск. нуклонах, входящих в составное ядро. В результате составное ядро испускает, напр., дейтрон d, тритон t иличастицу. Если же энергия, привнесенная в составное ядро налетающей частицей, оказалась меньше высоты потенциального барьера, к-рый должна преодолеть вылетающая из составного ядра легкая частица, то в этом случае составное ядроиспускаетквант (радиационный захват). В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, которое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.

    Исторически важная реакция (Боте и Беккер, 1930):

    Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

     

    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.

    Ядерные реакции синтеза и деления.

    Примером реакций синтеза (термоядерных реакций) может служить так называемый протон-протонный цикл:

    В этой цепочке реакций синтеза ядер водорода (протонов) с превращением их в ядра гелия выделяется в общей сложности 25 МэВ энергии. Считается, что протон-протонный цикл является главным источником энергии в звездах типа Солнца. 1 грамм солнечного вещества содержит порядка 1023 протонов, поэтому в результате превращения их в гелий выделится энергия, равная 55 000 кВт. Масса Солнца порядка 1033 г, так что легко оценить, что Солнце сможет служить источником энергии еще около 20 миллиардов лет.

    Реакции деления. Необычайно важным в приложениях является еще один тип ядерных реакций – реакции деления тяжелых ядер, вызываемые нейтронами. При расщеплении нейтроном тяжелого ядра образуются более легкие осколки с большей энергией связи, так что подобная реакция может быть экзотермической (т.е. идти с выделением энергии). Поэтому подобные реакции могут стать источниками энергии.

    Цепная реакция. В каждой из реакций деления возникают дополнительные нейтроны, которые, в принципе, могут служить инициаторами следующих актов деления ядер урана-235. В результате в блоке урана, содержащего достаточное количество делящегося материала, может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция деления с выделением энергии. На пути к реальному осуществлению такой реакции стоит много трудностей, связанных с необходимостью замедления образующихся при делении нейтронов до таких небольших энергий, при которых они способны захватываться следующим ядром урана-235 (вероятность захвата нейтронов ядрами урана обратно пропорциональна скорости нейтрона). Кроме того, нужно не допустить вылета нейтронов за пределы рабочей области, для того, чтобы поддерживалась цепная реакция. Эти и многие другие трудности были преодолены Э. Ферми с сотрудниками, которые в конце 1942 г. запустили на территории Чикагского университета первый в мире ядерный реактор. Первый ядерный реактор в СССР был запущен под руководством И.В. Курчатова в Москве в 1946 г.

    Эффективное сечение ядерных реакций

    При облучении некоторого количества ядер нерадиоактивного изотопа частицами количество произошедших ядерных реакций рассчитывается по формуле:

    Число ядерных реакций N пропорционально плотности потока частиц, числу облучаемых ядер и времени. Коэффициентом пропорциональности здесь является эффективное сечение ядерной реакции.

    Эффективное сечение имеет размерность площади и по порядку величины сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (ок. 10-28 м2). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения – барн (1 барн = 10-28 м2).

    Реальные значениядля различныхядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10-49 до 10-22 м2). Значениезависит отприроды бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от свойств облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать так называемый резонансный захват нейтронов, который характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетическая энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на несколько порядков превышать нерезонансное сечение.

    Наведенная радиоактивность – это радиоактивность, возникающая в материалах в результате их облучения элементарными частицами.

    Рассчитать наведенную активность можно по формуле:

    studfiles.net

    Ядерные реакции: виды, законы

    Ядерная реакция (ЯР) – процесс, в котором ядро атома изменяется путем дробления или соединения с ядром другого атома. Таким образом, она должна приводить к превращению по меньшей мере одного нуклида в другой. Иногда, если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей без изменения природы какого-либо нуклида, процесс относится к ядерному рассеянию. Пожалуй, наиболее заметными являются реакции ядерного синтеза легких элементов, которые влияют на производство энергии звезд и Солнца. Естественные реакции происходят также во взаимодействии космических лучей с веществом.

    Природный ядерный реактор

    Наиболее заметной контролируемой человеком реакцией является реакция деления, которая происходит в ядерных реакторах. Это устройства для инициирования и контроля ядерной цепной реакции. Но существуют не только искусственные реакторы. Первый природный ядерный реактор в мире был обнаружен в 1972 году в Окло в Габоне французским физиком Фрэнсисом Перрином.

    Условия, в которых могла вырабатываться природная энергия ядерной реакции, были предсказаны в 1956 году Полом Кадзуо Курода. Единственное известное место в мире состоит из 16 участков, в которых происходили самоподдерживающиеся реакции подобного типа. Как полагают, это было приблизительно 1,7 миллиарда лет назад и продолжалось в течение нескольких сотен тысяч лет, что было подтверждено наличием изотопов ксенона (газообразного продукта деления) и различным отношением U-235/U-238 (обогащение природного урана).

    Ядерное деление

    График энергии связи предполагает, что нуклиды с массой больше 130 а.е.м. должны спонтанно отделиться друг от друга, чтобы сформировать более легкие и стабильные нуклиды. Экспериментально ученые установили, что спонтанные реакции деления элементов ядерной реакции происходят только для самых тяжелых нуклидов с массовым числом 230 или более. Даже если это осуществляется, то очень медленно. Период полураспада для спонтанного деления 238 U, например, составляет 10-16 лет, или примерно в два миллиона раз дольше, чем возраст нашей планеты! Облучением образцов тяжелых нуклидов медленными тепловыми нейтронами можно индуцировать реакции деления. Например, когда 235 U поглощает тепловой нейтрон, он разбивается на две частицы с неравномерной массой и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона.

    Поглощение нейтрона 238 U индуцирует колебания в ядре, которые деформируют его до тех пор, пока он не расколется на фрагменты так, как капля жидкости может разлететься на более мелкие капельки. Более чем 370 дочерних нуклидов с атомными массами между 72 и 161 а.е.м. образуются при делении на тепловом нейтроне 235U, включая два продукта, показанных ниже.

    Изотопы ядерной реакции, такие как уран, подвергаются индуцированному делению. Но единственный природный изотоп 235 U присутствует в изобилии всего 0,72 %. Индуцированное деление этого изотопа высвобождает в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов килоджоулей на грамм 235 U. Притяжение ядерного деления как источника энергии можно понять, сравнивая это значение с 50 кДж/г, высвобождающимися, когда сжигается природный газ.

    Первый ядерный реактор

    Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и сотрудниками под футбольным стадионом Университета Чикаго, ввели его в эксплуатацию 2 декабря 1942 года. Этот реактор, который производил несколько киловатт энергии, состоял из кучи графитовых блоков весом 385 тонн, уложенных слоями вокруг кубической решетки из 40 тонн урана и оксида урана. Спонтанное деление 238 U или 235 U в этом реакторе вызывало очень малое количество нейтронов. Но достаточно было урана, так что один из этих нейтронов индуцировал деление ядра 235 U, тем самым высвободив в среднем 2,5 нейтрона, которые катализировали деление дополнительных ядер 235 U в цепной реакции (ядерные реакции).

    Количество расщепляющегося материала, необходимого для поддержания цепной реакции, называется критической массой. Зеленые стрелки показывают раскол ядра урана в двух осколках деления, испускающих новые нейтроны. Некоторые из этих нейтронов могут вызывать новые реакции деления (черные стрелки). Некоторые из нейтронов могут быть потеряны в других процессах (синие стрелки). Красные стрелки показывают задержанные нейтроны, которые поступают позже из радиоактивных осколков деления и могут вызывать новые реакции деления.

    Обозначение ядерных реакций

    Рассмотрим основные свойства атомов, включая атомное число и атомную массу. Атомный номер представляет собой число протонов в ядре атома, а изотопы имеют одинаковый атомный номер, но различаются по числу нейтронов. Если начальные ядра обозначаются а и b, а ядра произведения обозначаются с и d, то реакция может быть представлена уравнением, которое вы можете видеть ниже.

    Какие ядерные реакции вместо использования полных уравнений сокращаются для легких частиц? Во многих ситуациях для описания таких процессов используется компактная форма: a (b, c) d эквивалентно a + b, производящему c + d. Легкие частицы часто сокращаются: обычно p означает протон, n – нейтрон, d – дейтрон, α – альфа-частицу, или гелий-4, β – бета-частицу, или электрон, γ – гамма-фотон и т. д.

    Виды ядерных реакций

    Хотя число возможных таких реакций огромно, их можно сортировать по типам. Большая часть таких реакций сопровождается гамма-излучением. Вот некоторые примеры:

    1. Упругое рассеяние. Происходит, когда энергия между ядром-мишенью и падающей частицей не передается.
    2. Неупругое рассеяние. Происходит, когда энергия передается. Разность кинетических энергий сохраняется в возбужденном нуклиде.
    3. Реакции захвата. Как заряженные, так и нейтральные частицы могут захватываться ядрами. Это сопровождается излучением ɣ-лучей. Частицы ядерных реакций при реакции нейтронного захвата называются радиоактивными нуклидами (индуцированная радиоактивность).
    4. Реакции передачи. Поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц, называется реакцией переноса.
    5. Реакции деления. Ядерное деление является реакцией, в которой ядро атома расщепляется на более мелкие части (более легкие ядра). Процесс деления часто приводит к образованию свободных нейтронов и фотонов (в виде гамма-лучей) и высвобождает большое количество энергии.
    6. Реакции слияния. Происходят, когда два или более атомных ядра сталкиваются с очень высокой скоростью и объединяются, образуя новый тип атомного ядра. Частицы ядерных реакций слияния дейтерия и трития особенно интересны из-за их потенциала обеспечения энергии в будущем.
    7. Реакции расщепления. Происходят, когда ядро поражается частицей с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько мелких фрагментов или разбить ее на многие фрагменты.
    8. Реакции перегруппировки. Это поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц:
    • 197Au (p, d) 196mAu
    • 4He (a, p) 7Li
    • 27Al (a, n) 30P
    • 54Fe (a, d) 58Co
    • 54Fe (a, 2 n) 56Ni
    • 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

    Различные реакции перегруппировки меняют количество нейтронов и число протонов.

    Ядерный распад

    Ядерные реакции происходят, когда нестабильный атом теряет энергию за счет излучения. Он является случайным процессом на уровне одиночных атомов, поскольку в соответствии с квантовой теорией невозможно предсказать, когда отдельный атом будет распадаться.

    Существует много видов радиоактивного распада:

    1. Альфа-радиоактивность. Частицы Alpha состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе с частицей, идентичной ядру гелия. Из-за очень большой массы и ее заряда он сильно ионизирует материал и имеет очень короткий диапазон.
    2. Бета-радиоактивность. Она представляет собой высокоэнергетические высокоскоростные позитроны или электроны, излучаемые некоторыми типами радиоактивных ядер, таких как калий-40. Бета-частицы имеют больший диапазон проникновения, чем альфа-частицы, но все же намного меньше, чем гамма-лучи. Выброшенные бета-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, также известного как бета-лучи цепной ядерной реакции. Получение бета-частиц называется бета-распадом.
    3. Гамма-радиоактивность. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение очень высокой частоты и, следовательно, являются фотонами высокой энергии. Они образуются при распаде ядер при их переходе из состояния высокой энергии в более низкое состояние, известное как гамма-распад. Большая часть ядерных реакций сопровождается гамма-излучением.
    4. Нейтронная эмиссия. Нейтронная эмиссия представляет собой тип радиоактивного распада ядер, содержащих избыточные нейтроны (особенно продукты деления), в которых нейтрон просто выбрасывается из ядра. Этот тип излучения играет ключевую роль в управлении ядерными реакторами, потому что эти нейтроны являются задержанными.

    Энергетика

    Q-значение энергии ядерной реакции – это количество энергии, выделяемой или поглощенной во время реакции. Называется энергетическим балансом, или Q-значением реакции. Эта энергия выражается как разница между кинетической энергией продукта и величиной реагента.

    Общий вид реакции: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), где x и X являются реагентами, а y и Y – продуктом реакции, которые могут определить энергию ядерной реакции, Q – энергетический баланс.

    Q-значение ЯР означает энергию, высвобождаемую или поглощенную в реакции. Она также называется энергетическим балансом ЯР, который может быть положительным или отрицательным в зависимости от характера.

    Если Q-значение положительно, реакция будет экзотермической, ее также называют экзоэргической. Она высвобождает энергию. Если Q-значение отрицательно, реакция является эндоэргической, или эндотермической. Такие реакции осуществляются за счет поглощения энергии.

    В ядерной физике подобные реакции определяются Q-значением, как разность между суммой масс исходных реагентов и конечных продуктов. Измеряется в энергетических единицах МэВ. Рассмотрим типичную реакцию, в которой снаряд a и цель A уступают двум продуктам B и b.

    Это может быть выражено так: а + A → B + B , или даже в более компактной записи – А (а, б) B. Виды энергий в ядерной реакции и значение этой реакции определяется по формуле:

    Q = [m a + m A – (m b + m B)] c 2,

    что совпадает с избыточной кинетической энергией конечных продуктов:

    Q = T final – T начальный

    Для реакций, в которых наблюдается увеличение кинетической энергии продуктов, Q – положительно. Положительные Q-реакции называются экзотермическими (или экзогенными).

    Существует чистое выделение энергии, так как кинетическая энергия конечного состояния больше, чем в начальном состоянии. Для реакций, в которых наблюдается уменьшение кинетической энергии продуктов, Q – отрицательно.

    Период полураспада

    Период полураспада радиоактивного вещества является характерной константой. Он измеряет время, необходимое для того, чтобы определенное количество вещества уменьшилось наполовину вследствие распада и, следовательно, излучения.

    Археологи и геологи используют период полураспада до настоящего времени в отношении органических объектов в процессе, известном как датирование углерода. Во время бета-распада углерод 14 превращается в азот 14. Во время смерти организмы перестают производить углерод 14. Поскольку период полураспада является постоянным, отношение углерода 14 к азоту 14 обеспечивает измерение возраста образца.

    В медицинской области источниками энергии ядерных реакций являются радиоактивные изотопы Кобальта 60, который использовался для лучевой терапии по сокращению опухолей, которые впоследствии будут удалены хирургическим путем, или для уничтожения раковых клеток в неоперабельных опухолях. Когда он распадается на стабильный никель, то испускает две относительно высоких энергии – гамма-излучения. Сегодня он заменяется системами лучевой терапии электронным пучком.

    Период полураспада изотопов от некоторых образцов:

    • кислород 16 – бесконечный;
    • уран 238 – 4 460 000 000 лет;
    • уран 235 – 713 000 000 лет;
    • углерод 14 – 5 730 лет;
    • кобальт 60 – 5,27 года;
    • серебро 94 – 0,42 секунды.

    Радиоуглеродное датирование

    При очень устойчивой скорости неустойчивый углерод 14 постепенно распадается на углерод 12. Соотношение этих изотопов углерода показывает возраст некоторых самых старых жителей Земли.

    Радиоуглеродное датирование – это метод, который обеспечивает объективные оценки возраста материалов на основе углерода. Возраст можно оценить, измеряя количество углерода 14, присутствующего в образце, и сравнивая его с международным стандартным эталоном.

    Влияние метода радиоуглеродного датирования в современном мире сделало его одним из самых значительных открытий XX века. Растения и животные ассимилируют углерод 14 из углекислого газа на протяжении всей жизни. Когда они умирают, то перестают обменивать углерод с биосферой, а содержание углерода 14 в них начинает снижаться со скоростью, определяемой законом радиоактивного распада.

    Радиоуглеродное датирование – по существу метод, предназначенный для измерения остаточной радиоактивности. Зная, сколько углерода 14 осталось в образце, можно узнать возраст организма, когда он умер. Следует отметить, что результаты радиоуглеродного датирования показывают, когда организм был жив.

    Основные методы измерения радиоуглерода

    Существуют три основных метода, используемых для измерения содержания углерода 14 в любом заданном пропорциональном расчете пробоотборника, жидком сцинтилляционном счетчике и масс-спектрометрии ускорителя.

    Пропорциональный счет газа представляет собой обычную радиометрическую методику датирования, которая учитывает бета-частицы, испускаемые данным образцом. Бета-частицы являются продуктами распада радиоуглерода. В этом методе образец углерода сначала преобразуется в газообразный диоксид углерода перед измерением в газовых пропорциональных счетчиках.

    Сцинтилляционный подсчет жидкостей – еще один метод радиоуглеродного датирования, который был популярен в 1960-х годах. В этом методе образец находится в жидкой форме, и добавляется сцинтиллятор. Этот сцинтиллятор создает вспышку света, когда он взаимодействует с бета-частицей. Пробирку с образцом пропускают между двумя фотоумножителями, и когда оба устройства регистрируют вспышку света, производится подсчет.

    Преимущества ядерной науки

    Законы ядерных реакций используют в широком диапазоне отраслей науки и техники, таких как медицина, энергетика, геология, космос и защита окружающей среды. Ядерная медицина и радиология – это медицинские методы, которые включают использование радиации или радиоактивности для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. В то время как радиология использовалась почти столетие, термин «ядерная медицина» начал применяться около 50 лет назад.

    Ядерная энергия используется в течение десятилетий и является одним из самых быстрорастущих энергетических вариантов для стран, стремящихся к энергетической безопасности и энергосберегающим решениям с низким уровнем выбросов.

    Археологи используют широкий спектр ядерных методов для определения возраста предметов. Артефакты, такие как Туринская плащаница, Свитки Мертвого моря и Корона Карла Великого, могут быть датированы, и их подлинность проверена с использованием ядерных методов.

    Ядерные методы используются в сельскохозяйственных сообществах для борьбы с болезнями. Радиоактивные источники широко применяются в горнодобывающей промышленности. Например, они используются при неразрушающих испытаниях закупорки трубопроводов и сварных швов, в измерении плотности пробиваемого материала.

    Ядерная наука играет ценную роль, помогая нам понять историю нашей окружающей среды.

    fb.ru

    Примеры ядерных реакций: особенности, решение и формулы |

    На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов – точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно – но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.

    Общее понятие о ядерных реакциях

    Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:

    • превращение одного химического элемента в другой;
    • деление ядра;
    • синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.

    Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы – это возможные пути, по которым реакция будет протекать.

    Правила записи ядерных реакций

    В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.

    Первый способ – тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой – продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:

    94Be + 42He → 126C + 10n.

    Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние – количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.

    Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:

    94Be (α, n) 126C.

    Общий вид такой записи: A (a, b1b2…) B. Здесь A – ядро-мишень; a – налетающая частица или ядро; b1, b2 и так далее – легкие продукты реакции; B – конечное ядро.

    Энергетика ядерных реакций

    В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.

    Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.

    В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий – электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы – разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = Eсв/c2. Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zmp + Amn – Мя, где Z – заряд ядра, A – массовое число, mp – масса протона (1,00728 а.е.м.), mn – масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), Mя – масса ядра.

    При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc2/A).

    Энергия связи и стабильность ядер

    Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.

    Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же – напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.

    Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.

    Реакции распада

    Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.

    Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число – на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:

    22688Ra → 22286Rn + α (42He).

    Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.

    Бета-распад, обусловленный слабым взаимодействием, происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:

    189K → 188Ar + e+ + νe.

    Энергия бета-распада фтора-18 – около 0,63 МэВ.

    Деление ядер

    Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко – три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.

    Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:

    23592U + 10n → 14456Ba + 8936Kr + 3 10n.

    Расщепление на барий-144 и криптон-89 – лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 23592U + 10n → 23692U* → 14456Ba + 8936Kr + 3 10n, где 23692U* – сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра – примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 104 мегаджоулей.

    Цепные реакции

    Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью – наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.

    Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = Ni/Ni–1 (здесь N – количество частиц, i – порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа – взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.

    Ядерный синтез

    Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер – так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.

    Пример ядерной реакции синтеза – образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:

    21H + 31H → 42He + 10n.

    Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ – ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) – с другой.

    В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия – самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.

    Примеры решения задач

    Рассмотрим реакцию деления 23592U + 10n → 14054Xe + 9438Sr + 2 10n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:

    Q = Δmc2 = (mA + mB – mX – mY + …) ∙ c2.

    Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:

    Q = (235,04393 + 1,00866 – 139,92164 – 93,91536 — 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.

    Еще один пример – на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла – главного источника солнечной энергии.

    32He + 32He → 42He + 2 11H + γ.

    Применим ту же формулу:

    Q = (2 ∙ 3,01603 – 4,00260 — 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.

    Основная доля этой энергии – 12,8 МэВ – приходится в данном случае на гамма-фотон.

    Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.

    Источник: bisbroker.ru

    cv-consul.ru

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *