Ядерные реакции физика – Ядерные реакции. Выделение и поглощение энергии при ядерных реакциях. Термоядерные реакции синтеза лёгких ядер. Видеоурок. Физика 11 Класс

Ядерные реакции | ЭТО ФИЗИКА

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

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

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:

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.

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 Энрико 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 сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.

где M_A и M_B – массы исходных продуктов, M_C и M_D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM

называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.

1.

Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем 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:  (99,3 %) и   (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления    наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра  вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра  В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер составляет примерно 1,6 (рис 6.6.2), для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных β^–-распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется

цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 6.8.1.

Рисунок 6.8.1. Схема развития цепной реакции

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый

коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп   также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является

тяжелая вода D₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется

ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 6.8.2.

Рисунок 6.8.2. Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа . Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β^–-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова.

2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис 6.6.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10^–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10⁸–10⁹ К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

www.its-physics.org

Ядерные реакции – Класс!ная физика

Ядерные реакции

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения.
Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил.
Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга.
Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия.
Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.

Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами.
Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 10⁵ МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют α-частицы (максимально 9 МэВ).
Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше).
В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г.
Удалось расщепить литий на две α-частицы:

Как видно из фотографии треков в камере Вильсона, ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой согласно закону сохранения импульса (импульс протона много меньше импульса возникающих α-частиц; на фотографии треки протонов не видны).

Энергетический выход ядерных реакций

В описанной выше ядерной реакции кинетическая энергия двух образующихся ядер гелия оказалась больше кинетической энергии вступившего в реакцию протона на 7,3 МэВ.
Превращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергия связи).
В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития.
Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся α-частиц.

Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остается неизменной.
Ведь энергия покоя ядра М_яс² согласно формуле непосредственно выражается через энергию связи.

В соответствии с законом сохранения энергии:
изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.
Согласно вышесказанному энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.

Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии.
Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции меньше, чем до реакции, то говорят о поглощении энергии.

Именно такая реакция происходит при бомбардировке азота α-частицами.
Часть кинетической энергии (примерно 1,2 • 10⁶ эВ) переходит в процессе этой реакции во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра.

Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть огромной.
Но использовать ее при столкновениях ускоренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени практически нельзя.
Ведь бо́льшая часть ускоренных частиц пролетает мимо ядер мишени, не вызывая реакцию.

Ядерные реакции на нейтронах

Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций.
Так как нейтроны не имеют заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения.
Например, наблюдается следующая реакция:

Великий итальянский физик Энрико Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами.
Он обнаружил, что ядерные превращения обусловлены не только быстрыми, но и медленными нейтронами.

Причем эти медленные нейтроны оказываются в большинстве случаев даже гораздо более эффективными, чем быстрые.
Поэтому быстрые нейтроны целесообразно предварительно замедлять.
Замедление нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде.

Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится большое число ядер водорода — протонов, масса которых почти равна массе нейтронов.
Следовательно, нейтроны после соударений движутся со скоростью теплового движения.

При центральном соударении нейтрона с покоящимся протоном он целиком передает протону свою кинетическую энергию.

Реакции, в которые вступают атомные ядра, очень разнообразны.
Нейтроны не отталкиваются ядрами и поэтому особенно эффективно вызывают превращения ядер.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц — Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения — Радиоактивные превращения — Закон радиоактивного распада. Период полураспада — Открытие нейтрона — Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы — Энергия связи атомных ядер — Ядерные реакции — Деление ядер урана — Цепные ядерные реакции — Ядерный реактор — Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии — Получение радиоактивных изотопов и их применение — Биологическое действие радиоактивных излучений — Краткие итоги главы — Три этапа в развитии физики элементарных частиц — Открытие позитрона. Античастицы

class-fizika.ru

Ядерные реакции | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Ядерные реакции — непременная составляющая окружа­ющего нас мира. Они постоянно протекают в атмосфере, где под действием космических лучей происходят превра­щения одних ядер в другие. Они обеспечивают горение Солнца. Эволюция Вселенной сопровождается сложными цепочками ядерных превращений. А в XX в. человек заста­вил ядерные реакции «работать» — их используют для полу­чения энергии. Изучение ядерных реакций привело к созда­нию самого разрушительного оружия — атомной бомбы.

Ядерными реакциями называют процессы, происхо­дящие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами.

Это достаточно общее определение. Оно включает в себя как упругие процессы, при которых состо­яния взаимодействующих частиц не изменяются, так и не­упругие, в результате которых изменяются квантовое со­стояние или состав ядра, а также рождаются новые частицы.

Для записи ядерных реакций используют выра­жения вида:

X₁ + X₂ + … + X₁’ + X₂’ + …

Слева записыва­ют все начальные частицы, а справа — все конечные. На­пример, реакция, протекающая при бомбардировке ядра азота α-частицами, в результате которой образуется ядро кислорода и вылетает протон, записывается так:

α + ¹⁴N → ¹⁷O + p.

Быстрые заряженные частицы, которыми бом­бардируют мишени, получают с помощью ускорителей. Так создают пучки электронов, протонов, легких ядер и тяже­лых ионов.

В результате ядерных реакций, вызываемых в мишени пер­вичными пучками, образуются вторичные пучки. Это могут быть как заряженные, так и нейтральные частицы. Так форми­руют пучки фотонов, π- и K-мезонов, нейтронов, антипрото­нов. Медленные нейтроны получают в ядерных реакторах.

Если в эксперименте ис­пользуется пучок частиц b, налетающих на покоящие­ся частицы a (их называют мишенью, обычно это яд­ра), а в результате реакции образуются частицы c и d, то схему реакции записы­вают в виде a(b, c)d. Как правило, d — образовавше­еся в результате реакции ядро, а c — вылетающая ча­стица (их может быть и не­сколько, тогда их перечис­ляют a(b, c­₁, c₂, c₃, …)d). Приведенная в качестве примера реакция взаимо­действия α-частиц с ядром азота может быть записана и так: ¹⁴N(a, р)¹⁷O. Интерес­но, что именно эта реакция была первой реакцией превращения стабильных ядер, наблюдавшейся в ла­боратории. Эксперимент был выполнен Резерфор­дом в 1919 г. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Часто взаимодействие одних и тех же частиц и ядер приводит к различ­ным результатам. В таких случаях говорят, что ядерная реакция может протекать по различным каналам. Например, при бомбардировке ядра ме­ди протонами в конечном состоянии могут остаться те же частицы: ⁶³Cu(p, p)⁶³Cu (упругий процесс), а могут образоваться раз­личные изотопы меди, цинка или никеля, в зави­симости от того, какие ча­стицы вылетают из ядра: ⁶³Cu(p, n)⁶³Zn, ⁶³Cu(p, pn)⁶²Cu, ⁶³Cu(p, 2n)⁶²Zn, ⁶³Cu(p, 2p)⁶²Ni.

На этой странице материал по темам:

• Характеристика отряда бабочки для 7 класса

worldofschool.ru

Ядерные реакции. Закон радиоактивного распада

Ядерные реакции — это превращения ядер при их взаимодействии с всевозможными частицами, в том числе и с , или друг с другом.
Уравнения ядерных реакций иногда записывают в сокращенном виде.
Пример:

Энергия ядерной реакции — это физическая величина, определяемая разностью кинетической энергии конечных и исходных ядер и частиц в реакции.
Если энергия ядерной реакции отрицательна, то реакция идет с поглощением энергии.

Экзотермическая реакция — это реакция, когда энергия ядерной реакции положительна, идет с выделением теплоты.
При всех ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения электрического заряда, числа нуклонов, энергии, импульса — это означает, что при ядерных реакциях нуклоны не уничтожаются и не видоизменяются, происходит только переход к другому ядру, следовательно, для ядерных реакций остается постоянным суммарное массовое число и суммарный заряд ядер.
Причины, при которых скорость ядерных реакций при обычных температурах практически равна нулю:
1) размеры ядер малы по сравнению с размерами атома, отчего встречи ядер, нужные для возникновения реакции, совершаются со значительно меньшей вероятностью;
2) атомные ядра окружены высоким потенциальным барьером, для преодоления которого заряженные частицы обязаны обладать большей по сравнению с энергией теплового движения кинетической энергией.

Ускорить протекание ядерных реакций следующими путями:
1) значительным увеличением температуры.

Термоядерная реакция — это ядерная реакция, которая протекает при высоких температурах;
2) использовать для протекания ядерных реакций заряженные частицы, специальным образом ускоряемые для того, чтобы их энергия оказалась достаточной для преодоления потенциального барьера.

Типы ядерных реакций
Ядерные реакции с излучением заряженных частиц: допустим, что в ядро попал нейтрон большой энергии. В создавшемся составном ядре избыток энергии, нужной для «испарения»— из ядра вылетит протон. Совершится превращение:

Ядерная реакция с испусканием нейтронов: значительная часть энергии сосредоточится у какого-нибудь одного нейтрона, следовательно, из ядра вылетит нейтрон.

Ядерная реакция радиационного захвата: из ядра вылетел протон или — частица, необходима значительная энергия этих частиц, т. е. превосходящая высоту потенциального барьера.
Для нейтронов нет потенциального барьера и их «испарение» из ядра не требует столь большой энергии. Следовательно, после излучения — кванта оставшейся у ядра энергии возбуждения будет мало для выбрасывания какой-нибудь частицы, и нейтрон, попав- ший в ядро, в нем и останется, возникнет радиационный захват:

Закон радиоактивного распада
Радиоактивность — это самопроизвольное превращение одних ядер в другие, которое сопровождается испусканием различных частиц.
Бывает естественная и искусственная радиоактивность.

Естественная радиоактивность — это радиоактивность, которую можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Такая радиоактивность наблюдается у химических элементов, размещенных в периодической системе элементов за свинцом, и у небольшого количества легких ядер, размещенных
в средней части таблицы Менделеева.

Искусственная радиоактивность — это радиоактивность изотопов, приобретенных в результате ядерных реакций. Радиоактивность сопровождается превращением одного химического элемента в другой и всегда сопровождается выделением энергии.

Радиоактивный распад — это процесс, являющийся статическим, при котором ядра радиоактивного элемента распадаются независимо друг от друга.

Период полураспада — это время, за которое распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.

Активность радиоактивного источника — это число радиоактивных распадов в единицу времени:

В Международной системе единиц единицей активности является беккерель.
Закон радиоактивного распада: число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает со временем экспоненциально:

Постоянная распада представляет отношение количества атомов, распадающихся за 1 с, к числу атомов радиоактивного вещества, находящихся в нем в данный момент времени, т. е. величина вероятности того, что атом радиоактивного вещества претерпит в течение секунды радиоактивный распад.

 

xn—-7sbfhivhrke5c.xn--p1ai

Физический класс | Ядерные реакции «

Ядра элементов могут самопроизвольно либо при взаимодействии с различными частицами или друг с другом испытывать превращения. Процессы, результатом которых является перестройка атомных ядер, называют ядерными реакциями.

 

Для осуществления ядерной реакции альфа-частицы и протоны должны приблизиться к ядру, преодолев кулоновские силы, и попасть в сферу действия ядерных сил. Сближение возможно при условии, если частицы имеют большую кинетическую энергию. В настоящее время для сообщения заряженным частицам большой энергии их разгоняют в ускорителях элементарных частиц.

 

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 году Д. Кокрофтом и Э. Уолтоном . На ускорителе им удалось расщепить ядро лития на две альфа-частицы.

 

 

Особо стоит выделить ядерные реакции с нейтронами. Отсутствие заряда у нейтрона способствует беспрепятственному проникновению его в ядро.

 

 

Итальянский ученый Э. Ферми детально изучил реакции с быстрыми и медленными нейтронами.

 

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Они могут протекать как с выделением энергии, так и с поглощением энергии.

 

 

X – исходное (материнское) ядро, Y – конечное (дочернее) ядро, x  и y – исходная и конечная частицы в реакции.

 

 

При всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения суммарного электрического заряда и числа нуклонов. Кроме того выполняются законы сохранения энергии и импульса.

Назад

fizclass.ru

Ядерные реакции. Атомная физика :: Класс!ная физика

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

– это искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами ( протонами, нейтронами, альфа-частицами, гамма-частицами) или другими ядрами.

Условие, когда протекание ядерной реакции становится возможным:

– когда ядро и частица (или другое ядро) сближаются на расстояния, при которых начинают действовать ядерные силы.

Так как в реакцию могут вступать ядро и положительно заряженная частица (протон), то необходимо преодолеть возникающие между ними силы отталкивания. Это возможно при больших скоростях частиц.
Такие скорости достигаются в ускорителях элементарных частиц.

Источниками заряженных частиц для проведения ядерных реакций могут быть:

– естественные радиоактивные элементы
– ускорители элементарных частиц
– космическое излучение.

Как происходят ядерные реакции?

Превращения ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергии связи).
Разность сумм энергии покоя ядер и частиц до реакции и после реакции называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Расчет энергетического выхода ядерной реакции:

– рассчитать сумму масс  (m1) ядер и  частиц до реакции;
– рассчитать сумму масс ( m2) ядер и  частиц  после  реакции;
– рассчитать изменение массы

– рассчитать энергетический выход реакции, т.е. изменение энергии равно произведению изменения массы на квадрат скорости света.

При ядерных реакциях всегда выполняются законы сохранения массовых и зарядовых чисел.

Выделение или поглощение энергии?

Ядерная реакция может проходить с выделением энергии и с поглощением энергии.

Изменение внутренней энергии частиц в результате ядерной реакции связано с изменением масс покоя частиц.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, меньше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается поглощение энергии.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается выделение энергии.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ НА НЕЙТРОНАХ

Так как нейтроны лишены заряда, они легко проникают в атомные ядра и вызывают их превращения.
Ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, причем даже более эффективно.

Для получения управляемой ядерной реакции быстрые нейтроны надо замедлять.
Замедлителем может служить обыкновенная вода, так как в ней содержится большое количество протонов (ядер водорода), масса которых почти равна массе нейтронов.
При столкновении одинаковых по массе частиц происходит интенсивная передача энергии от налетающего нейтрона протону.

ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР

Реакция превращения одного ядра в другое в лабораторных условиях была впервые осуществлена Э. Резерфордом.

Он обнаружил, что для разрушения или превращения ядра нужна большая энергия.
Наиболее подходящими “снарядами”, обладающими достаточной для разрушения ядра энергией, были альфа-частицы.
Первым ядром, подвергшимся искусственному превращению, было ядро азота. В результате бомбардировки ядра азота альфа-частицами оно превращается в ядро изотопа кислорода с испусканием протонов- ядер атома водорода.
Другие ученые заметили превращение ядер фтора, натрия, алюминия и др.

Ядра элементов, размещающихся в конце таблицы Менделеева, не испытывали таких превращений., т.к. из-за их большого электрического заряда альфа-частицы отталкивались. не вступая во взаимодействие.

Вспомни тему “Атомная физика” за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме “Атомная физика” за 10-11 класс:

Строение атома
Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика

class-fizika.narod.ru

Урок физики в 9-м классе “Ядерные реакции”

Разделы: Физика

---

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!»

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai