§22. Ядерные реакции

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

§22. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют превращение одних ядер в другие при взаимодействии с какими-то частицами.

В начале развития ядерной физики учёные располагали лишь одним «орудием» для «разбития» ядра – это альфа-частицы, которые при радиоактивном распаде излучали радиоактивные препараты.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом. Он бомбардировал атомы азота α-частицами, в результате получался кислород и вылетал протон.

Джеймс Чедвик при бомбардировке α-частицами бериллия обнаружил, что из ядра бериллия вылетает нейтрон и получается ядро углерода.

Однако α-частицы не всегда способны разбить ядро, так как они также обладают положительным зарядом и, при определённых условиях, электрическое отталкивание со стороны ядра настолько большое, что α-частица не сможет с ним столкнуться.

Рис. 1. 27-дюймовый циклотрон С. Ливингстоуна и Э. Лоуренса, разгонявший частицы до 5 МэВ (1932 г.)

Следующий этап исследований ядерных реакций был связан с конструированием ускорителей заряженных частиц (см. Рис. 1). В данных приборах частицы разгонялись и, вылетая из ускорителя, ударялись об исследуемые ядра.

Хотя мощность первых установок была невелика, но разгонявшиеся в них протоны или дейтроны были более эффективными для создания ядерных реакций, чем α-частицы.

Это объясняется тем, что протоны имеют заряд равный единице и энергия электрического отталкивания при взаимодействии с ядром у них в два раза меньше.

Впервые ускоренный протон использовали для взаимодействия с ядром лития , при этом ядро разбивалось на две α-частицы (два ядра гелия).

Данная реакция имела большой энергетический выход, около . Ещё больше энергии выделилось при реакции, в которой разогнанный ускорителем дейтрон попал в ядро лития  и также разбил его на два ядра гелия.

Характерной особенностью ядерных реакций является выполнение законов сохранения. То есть сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции. Также выполняется закон сохранения массового числа. Однако масса ядер, которые вошли в реакцию, не равны массе ядер, которые вышли из реакции. 

Энергетический выход реакции равен:

На примере предыдущей реакции:

Эта энергия распределяется между двумя α-частицами.

Каждая такая частица приобретает энергию, следовательно, приобретает скорость. Если вычислить по формулам теории относительности изменение массы этих α-частиц, то, с большой степенью точности, получим закон сохранения масс, учитывая релятивистские эффекты. То есть массу  «уносят» с собой α-частицы.

Третьим этапом исследования ядерных реакций были реакции на нейтронах. Нейтрон является нейтральной частицей, поэтому он не испытывает электрического отталкивания ядра. Следовательно, реакции на нейтронах практически не требуют энергетических затрат (необходимо ждать, пока ядро захватит нейтрон при подходе последнего на расстояние ).

Одна из первых таких реакций была реакция захвата нейтрона ядром алюминия, в итоге оно распадается и образуется ядро натрия, при этом вылетает α-частица.

При бомбардировке ядер изотопа азота  нейтронами образуется изотоп бора . Какая ещё частица образуется в этой реакции? Варианты ответа: 1. протон; 2. 2 протона; 3. 2 нейтрона; 4. α-частица.

Решение

Зарядовое и массовое число установим по законам сохранения.

Общее зарядовое число после реакции должно быть равно 7, следовательно:

Массовое число после реакции должно быть равно 15. У бора оно равно 11, поэтому у неизвестного элемента это число – 4.

Неизвестный элемент имеет заряд равный двум, а массу – четыре. Следовательно, это α-частица.

Ответ: 4. α-частица

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы мощностью 57 мегатонн (Источник)

Термоядерная реакция (см. Рис. 2) – реакция синтеза лёгких ядер. Синтез лёгких ядер может происходить только при высоких температурах, так как эти ядра должны разогнаться до энергии, при которой могут сблизиться на расстояние, равное радиусу ядра (). Эта энергия должна быть порядка десятков МэВ.

Например, дейтрон может провести вместе с тритием реакцию синтеза. При этом получается гелий  (очень устойчивое ядро) и выбрасывается нейтрон. Энергетический выход этой реакции равен .

Если вступает в реакцию 1 моль дейтерия (2 г) и 1 моль трития (3тг), то произойдёт  (число Авогадро) таких реакций. Следовательно, общий выход энергии будет равен:

Чтобы получить такую энергию при сжигании керосина, необходимо  топлива.

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 106 и 110 (стр. 312 и 322); – Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
  2. Рассчитать энергетический выход реакции .
  3. Ядро , захватывая протон, распадается на две α-частицы. Определить сумму кинетических энергий этих частиц. Кинетической энергией протона пренебречь.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010. 
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
  3. Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики – М.: Дрофа, 2002.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
  2. Интернет-портал Physics.ru (Источник).
  3. Интернет-портал Nado5.ru (Источник).
  4. Интернет-портал Google.com.ua (Источник).

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/fizika-atomnogo-jadra/yadernye-reaktsii-vydelenie-i-pogloschenie-energii-pri-yadernyh-reaktsiyah-termoyadernye-reaktsii-sinteza-lyogkih-yader

Ядерные реакции

§22. Ядерные реакции

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Ядерные реакции, превращения атомных ядер при взаимодействии с др. ядрами, элементарными частицами иликвантами. Такое определение разграничивает собственно ядерные реакции и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде (см.

Радиоактивность), хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.
Ядерные реакции осуществляют под действием налетающих, или бомбардирующих, частиц (нейтроны п, протоны р, дейтроны d, электроны е, ядра атомов разл. элементов) либоквантов, к-рыми облучают более тяжелые ядра, содержащиеся в мишени.

По энергиям бомбардирующих частиц условно различают ядерные реакции при низких ( < 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А < 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).

Ядерная реакция может произойти, если две участвующие в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10-13 см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод. между составляющими ядра нуклонами.

Если обе участвующие в ядерной реакции частицы — и бомбардирующая, и ядро мишени — заряжены положительно, то сближению частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени.

Для ядер, отвечающих атомам со ср. значениями атомного номера, и бомбардирующих частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если в ядерной реакции участвуют частицы, не обладающие зарядом (нейтроны), кулоновский потенциальный барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать с участием частиц, имеющих тепловую энергию (т. е.

энергию, отвечающую тепловым колебаниям атомов).
Обсуждается возможность протекания ядерных реакций не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые с диаметром ядра), находящихся в твердой матрице или на пов-сти твердого тела (напр.

, с участием ядер атомов газа дейтерия, растворенного в палладии); пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных реакций («холодного термоядерного синтеза») нет.
Ядерные реакции подчиняются тем же общим законам природы, что и обычные хим. р-ции (закон сохранения массы и энергии, сохранения заряда, импульса).

Кроме того, при протекании ядерных реакций действуют и нек-рые специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения барионного заряда (барионы — тяжелые элементарные частицы).
Записывать ядерные реакции можно так, как это показано на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени ядрами неона:

Из этой записи видно, что суммы зарядов слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы массовых чисел (242 + 22 = 259 + 5) равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его ат. номер (заряд ядра), то при записи ядерных реакций значения заряда частиц обычно не указывают. Чаще ядерные реакции записывают короче.

Так, ядерную реакцию образования радионуклида 14С при облучении ядер 14N нейтронами записывают след. образом: 14N(n, р)14С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую частицу иликвант, затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант. В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d, р), (п, 2п)и др. ядерные реакции.

При столкновении одних и тех же частиц ядерные реакции могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени нейтронами могут протекать след. ядерные реакции: 27А1(n,)28А1, 27А1(n, n)27А1, 27А1(n, 2n)26А1, 27А1(n, p)27Mg, 27Al(n,)24Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз.

входным каналом ядерной реакции, а частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, образуют выходной канал.
Ядерные реакции могут протекать с выделением и поглощением энергии Q.

Если в общем виде записать ядерную реакцию как А(a, b)В, то для такой ядерной реакции энергия равна: Q = [(МА + Ма) — (Мв + Мb)] x с2, где М -массы участвующих в ядерной реакции частиц; с — скорость света. На практике удобнее пользоваться значениями дефектов масс дельтаМ (см.

Ядро атомное), тогда выражение для вычисления Q имеет вид: причем из соображения удобства обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ = 1,492443 х 10-7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается ядерная реакция, может в 106 раз и более превышать энергию, выделяющуюся или поглощающуюся при хим. р-циях.

Поэтому при ядерной реакции становится заметным изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия равна разности сумм масс частиц до и после ядерной реакции. Возможность выделения огромных кол-в энергии при осуществлении ядерных реакций лежит в основе ядерной энергетики (см. Ядерная энергия). Исследование соотношений между энергиями частиц, участвующих в ядерных реакциях, а также соотношений между углами, под к-рыми происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики — кинематику ядерных р-ций.

Механизмы ядерных реакций. Характер взаимод. налетающей частицы с ядром мишени зависит от индивидуальных св-в взаимодействующих частиц и энергии налетающей частицы. Налетающая частица может войти в ядро мишени и вылететь из него, лишь изменив свою траекторию. Это явление наз. упругим взаимодействием (или упругим рассеянием).

В приведенном выше примере с участием ядер 27А1 ему отвечает ядерная реакция 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. Это — т.наз.

прямой процесс. Время, за к-рое он протекает, соответствует времени, за к-рое бомбардирующая частица проходит через пространство, занимаемое ядром мишени. По оценке, оно равно ок. 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 т.наз. составного ядра- ядерной системы, образующейся в ходе ядерной 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 ядро испускаетквант (радиационный захват).

В результате распада составного ядра образуется относительно тяжелое новое ядро, к-рое может оказаться как в основном, так и в возбужденном состоянии. В последнем случае будет происходить постепенный переход возбужденного ядра в основное состояние.

Эффективное сечение ядерных реакций. В отличие от большинства хим. р-ций, при к-рых исходные в-ва, взятые в стехиометрич. кол-вах, реагируют между собой нацело, ядерную реакцию вызывает только небольшая доля из всех бомбардирующих частиц, упавших на мишень.

Это объясняется тем, что ядро занимает ничтожно малую часть объема атома, так что вероятность встречи налетающей частицы, проходящей через мишень, с ядром атома очень мала. Кулоновский потенциальный барьер между налетающей частицей и ядром (при их одинаковом заряде) также препятствует ядерной реакции. Для количеств.

характеристики вероятности протекания ядерной реакции используют понятие эффективного сечения а. Оно характеризует вероятность перехода двух сталкивающихся частиц в определенное конечное состояние и равно отношению числа таких переходов в единицу времени к числу бомбардирующих частиц, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению их движения.

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 значения для различных ядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10-49 до 10-22 м2).

Значение зависит от природы бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от св-в облучаемого ядра. В случае облучения ядер нейтронами при варьировании энергии нейтронов можно наблюдать т. наз. резонансный захват нейтронов, к-рый характеризуется резонансным сечением. Резонансный захват наблюдается, когда кинетич.

энергия нейтрона близка к энергии одного из стационарных состояний составного ядра. Сечение, отвечающее резонансному захвату бомбардирующей частицы, может на неск. порядков превышать нерезонансное сечение.
Если бомбардирующая частица способна вызывать протекание ядерной реакции по нескольким каналам, то сумму эффективных сечений разл.

процессов, происходящих с данным облучаемым ядром, часто называют полным сечением.
Эффективные сечения ядерных реакций для ядер разл. изотопов к.-л. элемента часто сильно различаются между собой. Поэтому при использовании смеси изотопов для осуществления ядерной реакции нужно учитывать эффективные сечения для каждого нуклида с учетом его распространенности в смеси изотопов.

Выходы ядерных реакций, т. е. отношение числа актов ядерных реакций к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см2) мишени, обычно не превышают 10-6-10-3.

Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной реакции пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см2 мишени, а также значению эффективного сечения ядерной реакции. Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных реакций под действием нейтронов не более неск. мг атомов, содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной ядерной реакции, значительно меньше.

Бомбардирующие частицы. Для осуществления ядерных реакций используют нейтроны n, протоны р, дейтроны d, тритоны t, частицы, тяжелые ионы (12С, 22Ne, 40Аr и др.), электроны е икванты. Источниками нейтронов (см. Нейтронные источники)при проведении ядерных реакций служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя, напр. 226Ra (т. наз.

ампульные источники), нейтронные генераторы, ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев ядерных реакций выше для нейтронов с малыми энергиями (тепловые нейтроны), то перед тем, как направить поток нейтронов на мишень, их обычно замедляют, используя парафин, графит и др. материалы. В случае медленных нейтронов осн.

процесс почти для всех ядер — радиационный захват — ядерная реакция типа т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету протонов ичастиц. Под действием нейтронов протекают цепные р-ции деления.
В случае использования в качестве бомбардирующих частиц протонов, дейтронов и др., несущих положит.

заряд, бомбардирующую частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя разл. ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро. При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных реакций достигаются при использовании дейтронов.

Связано это с тем, что энергия связи протона и нейтрона в дейтроне относительно мала, и соотв., велико расстояние между протоном и нейтроном.

При использовании в качестве бомбардирующих частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон — протон или нейтрон, второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в том же направлении, что и налетающий дейтрон.

Высокие эффективные сечения могут достигаться при проведении ядерных реакций между дейтронами и легкими ядрами при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому ядерные реакции с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих ядер до т-ры ок. 107 К.

Такие ядерные реакции называют термоядерными. В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные р-ции с участием дейтерия, дейтерия и трития, дейтерия и лития и др. осуществлены при взрывах термоядерных (водородных) бомб.
Длячастиц кулоновский барьер у тяжелых ядер достигает ~ 25 МэВ.

Равновероятны ядерные реакции и Продукты ядерной реакции обычнорадиоактивны, для ядерной реакции- обычно стабильные ядра.
Для синтеза новых сверхтяжелых хим. элементов (с ат. н. больше 100) важное значение имеют ядерные реакции, протекающие с участием ускоренных на ускорителях тяжёлых ионов (22Ne, 40Аr и др.). Напр., по ядерной реакции м. б. осуществлен синтез фермия.

Для ядерных реакций с тяжелыми ионами характерно большое число выходных каналов. Напр., при бомбардировке ядер 232Th ионами 40Аr образуются ядра Са, Аr, S, Si, Mg, Ne.
Для осуществления ядерных реакций под действиемквантов пригодны кванты высоких энергий (десятки МэВ).Кванты с меньшими энергиями испытывают на ядрах только упругое рассеяние.

Протекающие под действием налетающихквантов ядерные реакции называют фотоядерными, этих р-ций достигают 1030 м2.
Хотя электроны имеют заряд, противоположный заряду ядер, проникновение электронов в ядро возможно только в тех случаях, когда для облучения ядер используют электроны, энергия к-рых превышает десятки МэВ. Для получения таких электронов применяют бетатроны и др.

ускорители.
Исследования ядерных реакций дают разнообразную информацию о внутр. строении ядер. Ядерные реакции с участием нейтронов позволяют получать огромное кол-во энергии в ядерных реакторах. В результате ядерных реакций деления под действием нейтронов образуется большое число разл. радионуклидов, к-рые можно использовать, в частности в химии, как изотопные индикаторы. В ряде случаев ядерные реакции позволяют получать меченые соединения. Ядерные реакции лежат в основе активационного анализа. С помощью ядерных реакций осуществлен синтез искусственных хим. элементов (технеция, прометия, трансурановых элементов, трансактиноидов).

Лит.: Давыдов А. С, Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., 1965; Вильдермут К., Тан Я., Единая теория ядра, пер. с англ., М., 1980.

С. С. Бердоносов.
АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5460.html

Ядерные реакции: просто и понятно

§22. Ядерные реакции

  • 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.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/yadernyie-reaktsii-prosto-i-ponyatno/

    Темы кодификатора ЕГЭ: ядерные реакции, деление и синтез ядер

    В предыдущем листке мы неоднократно говорили о расщеплении атомного ядра на составные части. Но как этого добиться в действительности? В результате каких физических процессов можно разбить ядро?

    Наблюдения радиоактивного распада в изменяющихся внешних условиях — а именно, при различных давлениях и температурах, в электрических и магнитных полях — показали, что скорость радиоактивного распада от этих условий не зависит.

    Никаких превращений химических элементов друг в друга все эти факторы вызвать не способны.

    Очевидно, изменения энергии тут слишком малы, чтобы повлиять на атомное ядро — так ветер, обдувающий кирпичный дом, не в состоянии его разрушить.

    Но разрушить дом можно артиллерийским снарядом. И Резерфорд в 1919 году решил воспользоваться наиболее мощными «снарядами», которые имелись тогда в распоряжении.

    Это были -частицы, вылетающие с энергией около 5 МэВ при радиоактивном распаде урана.

    (Как вы помните, это те самые снаряды, которыми он восемь лет назад бомбардировал лист золотой фольги в своих знаменитых опытах, породивших планетарную модель атома.)

    Правда, превращений золота в другие химические элементы в тех экспериментах не наблюдалось.

    Ядро золота само по себе весьма прочное, да и к тому же содержит довольно много протонов; они создают сильное кулоновское поле, отталкивающее -частицу и не подпускающее её слишком близко к ядру.

    А ведь для разбивания ядра -снаряд должен сблизиться с ядром настолько, чтобы включились ядерные силы! Что ж, раз большое количество протонов мешает — может, взять ядро полегче, где протонов мало?

    Резерфорд подверг бомбардировке ядра азота и в результате осуществил первую в истории физики ядерную реакцию:

    (1)

    В правой части (1) мы видим продукты реакции — изотоп кислорода и протон.

    Стало ясно, что для изучения ядерных реакций нужно располагать частицами-снарядами высоких энергий. Такую возможность дают ускорители элементарных частиц. Ускорители имеют два серьёзных преимущества перед естественными «радиоактивными пушками».

    1. В ускорителях можно разгонять любые заряженные частицы. В особенности это касается протонов, которые при естественном распаде ядер не появляются. Протоны хороши тем, что несут минимальный заряд, а значит — испытывают наименьшее кулоновское отталкивание со стороны ядер-мишеней.

    2. Ускорители позволяют достичь энергий, на несколько порядков превышающие энергию α-частиц при радиоактивном распаде. Например, в Большом адронном коллайдере протоны разгоняются до энергий в несколько ТэВ; это в миллион раз больше, чем 5 МэВ у -частиц в реакции (1), осуществлённой Резерфордом.

    Так, с помощью протонов, прошедших через ускоритель, в 1932 году удалось разбить ядро лития (получив при этом две -частицы):

    (2)

    Ядерные реакции дали возможность искусственного превращения химических элементов.

    Кроме того, в продуктах реакций стали обнаруживаться новые, не известные ранее частицы. Например, при облучении бериллия -частицами в том же 1932 году был открыт нейтрон:

    (3)

    Нейтроны замечательно подходят для раскалывания ядер: не имея электрического заряда, они беспрепятственно проникают внутрь ядра. (При этом ускорять нейтроны не надо — медленные нейтроны легче проникают в ядра. Нейтроны, оказывается, нужно даже замедлять, и делается это пропусканием нейтронов через обычную воду.) Так, при облучении азота нейтронами протекает следующая реакция:

    (4)

    Энергетический выход ядерной реакции

    Обсуждая энергию связи, мы видели, что в результате ядерных процессов масса системы частиц не остаётся постоянной. Это, в свою очередь, приводит к тому, что кинетическая энергия продуктов ядерной реакции отличается от кинетической энергии исходных частиц.

    Прежде всего напомним, что полная энергия частицы массы складывается из её энергии покоя и кинетической энергии :

    Пусть в результате столкновения частиц и происходит ядерная реакция, продуктами которой служат частицы и :

    (5)

    Полная энергия системы частиц сохраняется:

    то есть

    (6)

    Кинетическая энергия исходных частиц равна . Кинетическая энергия продуктов реакции равна . Энергетический выход ядерной реакции — это разность кинетических энергий продуктов реакции и исходных частиц:

    Из (6) легко получаем:

    (7)

    Если , то говорят, что реакция идёт с выделением энергии: кинетическая энергия продуктов реакции больше кинетической энергии исходных частиц. Из (7) мы видим, что в этом случае суммарная масса продуктов реакции меньше суммарной массы исходных частиц.

    Если же , то реакция идёт с поглощением энергии: кинетическая энергия продуктов реакции меньше кинетической энергии исходных частиц. Суммарная масса продуктов реакции в этом случае больше суммарной массы исходных частиц.

    Таким образом, термины «выделение» и «поглощение» энергии не должны вызывать недоумение: они относятся только к кинетической энергии частиц. Полная энергия системы частиц, разумеется, в любой реакции остаётся неизменной.

    Чтобы посчитать энергетический выход ядерной реакции (5), действуем по следующему алгоритму.

    1. С помощью таблицы масс нейтральных атомов находим и , выраженные в а. е. м. (для нахождения массы ядра не забываем вычесть из массы нейтрального атома массу электронов).

    2. Вычисляем массу исходных частиц, массу продуктов реакции и находим разность масс .

    3. Умножаем на и получаем величину , выраженную в МэВ.

    Мы сейчас подробно рассмотрим вычисление энергетического выхода на двух примерах бомбардировки ядер лития : сначала — протонами, затем — -частицами.

    В первом случае имеем уже упоминавшуюся выше реакцию (2):

    Масса атома лития равна а. е. м. Масса электрона равна а. е. м. Вычитая из массы атома массу трёх его электронов, получаем массу ядра лития :

    а. е. м.

    Масса протона равна а. е. м., так что масса исходных частиц:

    а. е. м.

    Переходим к продуктам реакции. Масса атома гелия равна а. е. м. Вычитаем массу электронов и находим массу ядра гелия :

    а. е. м.

    Умножая на , получаем массу продуктов реакции:

    а. е. м.

    Масса, как видим, уменьшилась ; это означает, что наша реакция идёт с выделением энергии. Разность масс:

    а. е. м.

    Выделившаяся энергия:

    МэВ.

    Теперь рассмотрим второй пример. При бомбардировке ядер лития -частицами происходит реакция:

    (8)

    Массы исходных ядер нам уже известны; остаётся сосчитать их суммарную массу:

    а. е. м.

    Из таблицы берём массу атома бора (она равна а. е. м.); вычитаем массу пяти электронов и получаем массу ядра атома бора:

    а. е. м.

    Масса нейтрона равна а. е. м. Находим массу продуктов реакции:

    а. е. м.

    На сей раз масса увеличилась , то есть реакция идёт с поглощением энергии.

    Разность масс равна:

    а. е. м.

    Энергетический выход реакции:

    МэВ.

    Таким образом, в реакции (8) поглощается энергия МэВ. Это означает, что суммарная кинетическая энергия продуктов реакции (ядра бора и нейтрона) на МэВ меньше, чем суммарная кинетическая энергия исходных частиц (ядра лития и -частицы). Поэтому чтобы данная реакция в принципе осуществилась, энергия исходных частиц должна быть не меньше МэВ.

    Деление ядер

    Бомбардируя ядра урана медленным нейтронами, немецкие физики Ган и Штрассман обнаружили появление элементов средней части периодической системы: бария, криптона, стронция, рубидия, цезия и т. д. Так было открыто деление ядер урана.

    На рис. 1 мы видим процесс деления ядра (изображение с сайта oup.co.uk.). Захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка, и при этом освобождаются два-три нейтрона.

    Рис. 1. Деление ядра урана

    Осколки являются ядрами радиоактивных изотопов элементов середины таблицы Менделеева. Обычно один из осколков больше другого. Например, при бомбардировке урана могут встречаться такие комбинации осколков (как говорят, реакция идёт по следующим каналам).

    • Барий и криптон:

    • Цезий и рубидий:

    • Ксенон и стронций:

    В каждой из этих реакций выделяется очень большая энергия — порядка МэВ. Сравните эту величину с найденным выше энергетическим выходом реакции (2), равным МэВ! Откуда берётся такое количество энергии?

    Начнём с того, что из-за большого числа протонов ( штуки), упакованных в ядре урана, кулоновские силы отталкивания, распирающие ядро, очень велики.

    Ядерные силы, конечно, ещё в состоянии удерживать ядро от распада, но могучий кулоновский фактор готов сказать своё слово в любой момент. И такой момент настаёт, когда в ядре застревает нейтрон (рис.

    2 — изображение с сайта investingreenenergy.com).

    Рис. 2. Деформация, колебания и разрыв ядра

    Застрявший нейтрон вызывает деформацию ядра. Начнутся колебания формы ядра, которые могут стать столь интенсивными, что ядро вытянется в «гантельку». Короткодействующие ядерные силы, скрепляющие небольшое число соседних нуклонов перешейка, не справятся с силами электрического отталкивания половинок гантельки, и в результате ядро разорвётся.

    Осколки разлетятся с огромной скоростью — около скорости света. Они и уносят большую часть высвобождающейся энергии (около МэВ из ).

    Деление тяжёлых ядер можно истолковать с точки зрения уже известного нам графика зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа (рис. 3).

    Рис. 3. Деление тяжёлых ядер энергетически выгодно

    Цветом выделена область , в которой удельная энергия связи достигает наибольшего значения МэВ/нуклон. Это область наиболее устойчивых ядер. Справа от этой области удельная энергия связи плавно уменьшается до МэВ/нуклон у ядра урана.

    Процесс превращения менее устойчивых ядер в более устойчивые является энергетически выгодным и сопровождается выделением энергии.

    При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления.

    Умножив это на число нуклонов в ядре урана, получим приблизительно те самые МэВ энергетического выхода, о которых говорилось выше.

    Цепная ядерная реакция

    Появление двух-трёх нейтронов в процессе деления ядра урана — важнейший факт.

    Эти нейтроны «первого поколения» могут попасть в новые ядра и вызвать их деление; в результате деления новых ядер возникнут нейтроны «второго поколения», которые попадут в следующие ядра и вызовут их деление; возникнут нейтроны «третьего поколения», которые приведут к делению очередных ядер и т. д. Так идёт цепная ядерная реакция, в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии.

    Для протекания цепной ядерной реакции необходимо, чтобы число высвободившихся нейтронов в очередном поколении было не меньше числа нейтронов в предыдущем поколении. Величина

    называеся коэффициентом размножения нейтронов. Таким образом, цепная реакция идёт при условии . Если , то цепная реакция не возникает.

    В случае происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится неуправляемой. Так происходит взрыв атомной бомбы.

    В ядерных реакторах происходит управляемая цепная реакция деления с коэффициентом размножения . Стационарное течение управляемой цепной реакции обеспечивается введением в активную зону реактора (то есть в ту область, где протекает реакция) специальных управляющих стержней, поглощающих нейтроны.

    При полностью введённых стержнях поглощение ими нейтронов настолько велико, что и реакция не идёт. В процессе запуска реактора стержни постепенно выводят из активной зоны, пока выделяемая мощность не достигнет требуемого уровня.

    Этот уровень тщательно контролируется, и при его превышении включаются устройства, вводящие управляющие стержни назад в активную зону.

    Термоядерная реакция

    Наряду с реакцией деления тяжёлых ядер энергетически возможным оказывается и обратный в некотором смысле процесс — синтез лёгких ядер, то есть слияние ядер лёгких элементов (расположенных в начале периодической таблицы) с образованием более тяжёлого ядра.

    Чтобы началось слияние ядер, их нужно сблизить вплотную — чтобы вступили в действие ядерные силы.

    Для такого сближения нужно преодолеть кулоновское отталкивание ядер, резко возрастающее с уменьшением расстояния между ними.

    Это возможно лишь при очень большой кинетической энергии ядер, а значит — при очень высокой температуре (в десятки и сотни миллионов градусов). Поэтому реакция ядерного синтеза называется термоядерной реакцией.

    В качестве примера термоядерной реакции приведём реакцию слияния ядер дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода), в результате которой образуется ядро гелия и нейтрон:

    (9)

    Эта реакция идёт с выделением энергии, равной МэВ (попробуйте сами провести расчёты и получить данную величину). Это очень много, если учесть, что в реакции участвуют всего нуклонов! В самом деле, в расчёте на один нуклон в реакции (9) выделяется энергия примерно МэВ, в то время как при делении ядра урана выделяется «всего» МэВ на нуклон.

    Таким образом, термоядерные реакции служат источником ещё большего количества энергии, чем реакции деления ядер.

    С физической точки зрения это понятно: энергия реакции ядерного деления есть в основном кинетическая энергия осколков, разогнанных электрическими силами отталкивания, а при ядерном синтезе энергия высвобождается в результате разгона нуклонов навстречу друг другу под действием куда более мощных ядерных сил притяжения.

    Проще говоря, при делении ядер высвобождается энергия электрического взаимодействия, а при синтезе ядер — энергия сильного (ядерного) взаимодействия.

    В недрах звёзд достигаются температуры, подходящие для синтеза ядер.

    Свет Солнца и далёких звёзд несёт энергию, выделяющуяся в термоядерных реакциях — при слиянии ядер водорода в ядра гелия и последующем слиянии ядер гелия в ядра более тяжёлых элементов, расположенных в средней части периодической системы.

    Направление термоядерного синтеза показано на рис. 4; синтез лёгких ядер энергетически выгоден, так как направлен в сторону увеличения удельной энергии связи ядра.

    Рис. 4. Синтез лёгких ядер энергетически выгоден

    Неуправляемая термоядерная реакция осуществляется при взрыве водородной бомбы. Сначала взрывается встроенная атомная бомба — это нужно для создания высокой температуры на первой ступени термоядерного взрыва. При достижении необходимой температуры в термоядерном горючем бомбы начинаются реакции синтеза, и происходит взрыв собственно водородной бомбы.

    Осуществление управляемой термоядерной реакции остаётся пока нерешённой проблемой, над которой физики работают уже более полувека.

    Если удастся добиться управляемого течения термоядерного синтеза, то человечество получит в своё распоряжение фактически неограниченный источник энергии.

    Это чрезвычайно важная задача, стоящая перед нынешним и будущими поколениями — в свете угрожающей перспективы истощения нефтегазовых ресурсов нашей планеты.

    Источник: https://ege-study.ru/ege-fizika/yadernye-reakcii/

    Biz-books
    Добавить комментарий