Ядерные реакции химия кратко

Обновлено: 08.07.2024

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.
Я дерные 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 ( 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции на легких ядрах (массовое число ядра мишени А 100).
Я дерная 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.

Я дерные 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 14 С при облучении ядер 14 N нейтронами записывают след. образом: 14 N(n, р) 14 С.
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: 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом ядерной реакции, а частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции, образуют выходной канал.
Я дерные 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 = [(М_А + М_а) - (М_в + М_b)] x с 2 , 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 10 6 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 27 А1 ему отвечает ядерная реакция 27 А1(п, п) 27 А1. 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 м 2 ). Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10 -28 м 2 ).
Реальные значения для различных ядерных реакций изменяются в широких пределах (от 10 -49 до 10 -22 м 2 ). 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 см 2 ) 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 см 2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см 2 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.

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.

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

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

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

N 7 14 + He 2 4 → O 8 17 + H 1 1 .

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

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

Li 3 7 + H 1 1 → He 2 4 + He 2 4 .

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

Они сопровождаются энергетическими превращениями.

Энергетический выход – это величина Q = M A + M B - M C - M D c 2 = ∆ M c 2 ,

где M A и M B подразумевают массы исходных продуктов реакции, а M C и M D массы конечных. Значение ∆ M называют дефектом масс.

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

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

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

Деление тяжелых ядер

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

Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z = 56 , криптона
Z = 36 и других.

Уран можно встретить в виде двух изотопов U 92 238 ( 99 , 3 % ) и U 92 235 ( 0 , 7 % ) . Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U 92 235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U 92 238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 М э В .

Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U 92 235 . На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145 , которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:

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

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

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

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

Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.

На рисунке 6 . 8 . 1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6 . 8 . 1 . Схема развития цепной реакции.

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

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

Изотоп U 92 238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана- 235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана- 235 составляет 50 к г . Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана- 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D 2 O . Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

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

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

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

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

На рисунке 6 . 8 . 2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.

Рисунок 6 . 8 . 2 . Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

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

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

Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 1 3 . Чтобы произвести 1000 М В т электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 М В т тепловой мощности в реакторе. Около 2000 М В т уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.

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

Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15 % изотопа υ 92 235 . Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана- 238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β -распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:

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

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

Термоядерные реакции

Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6 . 6 . 1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А . Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A 60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.

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

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2 · 10 - 15 м , преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 10 8 - 10 9 К . Она слишком высокая.

Температура 10 8 - 10 9 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.

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

H 1 2 + H 1 3 → H e 2 4 + n 0 1 + 17 , 6 выдает 3 , 5 М э в / к у л о н . Полное выделение энергии составляет 17 , 6 М э В . Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.

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

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

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

Рисунок 6 . 8 . 3 . Возраст 10 7 лет.

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

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.

Определение

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

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

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.

Видео

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

На этом уроке мы узнаем, что такое ядерные реакции, рассмотрим законы сохранения при ядерных реакциях, выясним причину изменения суммарной массы ядер, а также научимся вычислять энергетический выход таких реакций. В конце урока узнаем, какой колоссальный выход энергии получается при термоядерных реакциях.

Ядерные реакции это реакции где взаимодействует атомное ядро с другими элементарными частицами или же другим ядром, в результате чего в зависимости от условий образуется новое вещество.

В первые ядерную реакцию произвел Резерфорд.

Что такое простейшие ядерные реакции

В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение ядра атома одного элемента — азота в ядро атома другого элемента — кислорода.

Реакция происходила при воздействии (ударе) альфа-частицами, полученными при распаде радия, о ядра атомов азота, которым была предварительно заполнена камера Вильсона.

В результате реакции в камере были обнаружены атомы изотопа кислорода с массовым числом 17 и частицы, имеющие единичный положительный заряд и единичную массу, т. е. протоны.

Реакцию записывают так:

Схема реакции показана на рис. , а. На рис. 2 приведена фотография камеры Вильсона, в которой происходит эта реакция.

На рисунке видны следы альфа-частиц от радиоактивного препарата, помещенного сбоку камеры.

На одном из следов имеется несимметричная развилка — след происшедшей реакции: более толстый и короткий след принадлежит тяжелой частице — ядру кислорода, более тонкий и длинный след — легкой частице — протону.

Реакция схематически показана на рис. , б, Нейтрон не существует долго в свободном состоянии или он в процессе теплового движения соударяется с ядром атома какого-либо вещества и вызывает соответствующую ядерную реакцию, или претерпевает радио-активный распад: излучает бета-частицу (электрон) и превращается в протон.

Период полураспада нейтронов составляет 12,8 мин.

Механизм ядерных реакций

Механизм ядерных реакций заключается в том, что, ударяясь о ядро атома с большой силой, альфа-частица сближается с ним на расстояние действия ядерных сил.

Между нуклонами альфа-частицы и ядра возникают ядерные силы. На мгновение ядро поглощает ударившую в него частицу, и в нем происходит перегруппировка нуклонов с образованием нового комплекса частиц.

Если для устойчивости комплекса какая-либо частица оказывается лишней, то она при этом выбрасывается (см. схему на рис. , в).

Основным условием осуществления ядерной реакции является высокая кинетическая энергия частицы, доста точная, чтобы вызвать неупругий удар и перестройку связей в ядре между нуклонами.

Основным правилом составления уравнений ядерных реакций является сохранение равенства обеих частях его суммы индексов: верхних (массовых чисел) и нижних (атомных номеров) ядер.

Эти равенства являются выражением законов сохранения массы и заряда частиц, участвующих в реакции.

Часто применяют сокращенный способ записи ядерных реакций в виде формулы, состоящей из четырех символов: исходное ядро, действующая частица, выбрасываемая частица, конечное ядро.

Символы частиц заключают в скобки, а порядковый номер элемента часто опускают. Например, реакция Резерфорда:

N 14 (α; р) О 17 ;

реакция получения нейтрона:

Ве 9 (α; п) С 12; и т. д.

Условия при которых происходит ядерные реакции

Рассмотрим условия, при которых происходят ядерные реакции. В лабораторных условиях для этого пользуются потоком частиц с высокой кинетической энергией, который направляется на небольшое количество соответствующего вещества, нанесенного на экран, называемое мишенью.

В веществе ядра атомов расположены на расстояниях, в десятки тысяч раз превышающих диаметры самих ядер. Падая на вещество, поток частиц пронизывает главным образом электронные оболочки атомов, в которых производит ионизацию, и только единичные частицы сталкиваются с ядрами атомов (весьма условно это показано на рис. 3 ).

При этом, чтобы вызвать ядерную реакцию, частица при столкновении должна обладать достаточной кинетической энергией. Проходя сквозь электронные оболочки, заряженные частицы взаимодействуют с полем атомов, тормозятся и теряют энергию.

Поэтому вероятность столкновения с ядром частиц, имеющих достаточно высокую энергию, необходимую для осуществления ядерной реакции, становится еще меньше.

Соударение частиц с ядром атома в зависимости от энергии частиц может быть упругим и неупругим. В первом случае происходит только упругое рассеяние частиц, сопровождающееся перераспределением кинетической энергии между частицей и ядром.

При неупругом соударении происходит или неупругое рассеяние, когда часть кинетической энергии частицы затрачивается на возбуждение ядра (возбужденное ядро излучает гамма-фотон и возвращается в основное состояние), или ядерная реакция, когда кинетическая энергия частицы затрачивается на внутреннюю перестройку ядра.

Вероятность ядерной реакции

Вероятность ядерной реакции характеризуют ее эффективным поперечным сечением σ, под которым понимают отношение числа п актов осуществленной реакции за 1 сек к количеству N частиц, падающих за 1 сек на 1 см 2 площади вещества, перпендикулярной потоку частиц:

σ = (n/N)см 2 .

Величина а зависит от природы вещества, характера реакции и от энергии частиц, ее вызывающих. Порядок величины эффективного сечения для различных ядерных реакций от 10 -18 до 10 -24 см 2 , т. е. из N частиц, которые действуют на вещество, только (10 -18 ÷ 10 -24 ) N частиц в действительности вызывают реакцию.

Большая вероятность ядерных реакций имеет место при действии на вещество нейтронов. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны проходят через электронные оболочки без потери энергий, поэтому, сталкиваясь с ядрами, они чаще вызывают ядерные реакции.

Закон пропорциональности массы и энергии

Согласно теории относительности масса тел увеличивается с повышением скорости в следующем соотношении:

m = m₀/√((1 — (υ/c) 2 )

где т — масса тела при скорости υ , т₀ — масса тела при относительном покое, с — скорость света.

В ядерной физике, которая оперирует со скоростями движения частиц, соизмеримыми со скоростью света, изменение массы частиц в зависимости от скорости становится существенным.

В связи с этим различают полную массу движущейся частицы и массу покоя, т. е. массу частицы при относительном покое или незначительной скорости характера теплового движения.

Полная масса т равняется массе покоя т₀ плюс приращение массы m_v при данной скорости движения:

т = т₀ + m_υ

Из предыдущей формулы путем несложных преобразований можно получить зависимость между приращением m_υ массы тела при движении со скоростью v и соответствующей кинетической энергией Е_к тела.

Кинетическая энергия тела численно равняется приращению его массы при движении, умноженной на квадрат скорости света.

Соотношение Эйнштейна

Это соотношение, называемое соотношением Эйнштейна, согласно теории относительности является общим законом, обусловливающим связь между массой т и энергией Е тела: полная энергия тела пропорциональна его массе:

Е = тс 2 ,

где Е — выражено в эргах, т — в граммах и с — в сантиметрах в секунду Закон пропорциональности массы и энергии находится в полном соответствии с одним из основных положений диалектического материализма во взаимосвязи материи и движения.

Из закона пропорциональности массы и энергии следует, что массе покоя частиц должна соответствовать внутренняя энергия, по величине удовлетворяющая этому соотношению.

Эта величина, однако, превышает величину всех известных в те времена форм внутренней энергии тел (химической, электрической и т. п.) почти в миллион раз.

Как оказалось в даль нейшем, этой энергией является внутренняя потенциальная энергия ядер атомов, связанная с действующими между нуклонами ядерными силами.

Соотношение Эйнштейна является универсальным, однако практическое применение оно находит главным образом в области энергетических расчетов при ядерных реакциях.

При ядерных реакциях происходит перегруппировка нуклонов, соответственно изменяется и внутренняя потенциальная энергия ядра. Если при реакции эта энергия уменьшилась, это значит, что часть ее перешла в другие виды энергии, например в кинетическую энергию частиц — продуктов реакции. В этом случае имеется возможность ее полезного использования.

Энергетическим баланс ядерной реакции

Энергетическим балансом ядерной реакции называют соотношение между кинетической энергией частиц, вступивших в реакцию, и кинетической энергией частиц, образовавшихся в результате реакции.

Если общая кинетическая энергия частиц в результате реакции увеличилась (что произошло за счет уменьшения потенциальной энергии вновь образовавшегося ядра), то баланс реакции считается положительным.

В обратном случае (когда, наоборот, часть кинетической энергии частиц, входящих в реакцию, переходит в потенциальную энергию ядра) — отрицательным.

или, развертывая выражение для полной энергии:

где Е₀ энергия, соответствующая массе покоя частиц,

а E_к — их кинетическая энергия. Для удобства расчета энергия, соответствующая массе покоя частиц в обеих частях уравнения, может быть выражена, пользуясь соотношением Эйнштейна, через массу покоя соответствующих частиц. Получаем:

Обозначая разность между массами покоя частиц до и после реакции как ∆m₀, получаем:

т. е. изменение кинетической энергии частиц в результате ядерной реакции численно равняется изменению массы покоя частиц, участвующих в реакции, умноженному на квадрат скорости света

Если в результате реакции масса покоя частиц уменьшилась, то энергетический баланс ее положителен, если, наоборот, масса покоя увеличилась, то — отрицателен.

Расщепление протоном ядра лития

Рассмотрим осуществленную в 30-х годах реакцию расщепления протоном ядра лития на две альфа-частицы:

Как показывает расчет, масса покоя двух альфа-частиц на ∆m₀ — = 0,0185 а. е. м. меньше массы частиц, вступающих в реакцию.

Этому соответствует энергия (переводя массу в граммы и энергию в электронвольты Е = ∆m₀с 2 = 0,0185•1,66•10 -24 . (3•10 10 ) 2 •6,24•10 5 = 17 Мэв.

Кинетическая энергия альфа-частиц, определенная по пробегу в воздухе, составляет 2•8,8 = 17,6 Мэв. Совпадение с расчетом вполне удовлетворительное.

Если учесть, что протон должен быть предварительно ускорен до энергии 0,5 Мэв, получается положительный баланс реакции в 17,0 — 0,5 = — 16,5 Мэв на одно ядро лития.

Эта реакция дала полное подтверждение соотношения Эйнштейна и, кроме того, впервые показала принципиальную возможность выделения внутриядерной энергии.

Количество ядерной энергии, освобождающейся на грамм-атом (т.е. 7 г) лития при этой реакции, равняется Е_к = 0,17•10 20 эрг или в тепловых единицах 4•10 8 ккал.

Если сравнить это с количеством теплоты, выделяющейся при сгорании лучшего угля (калорийность 8000 ккал/кг), то получится 50 000 кг или 50 т угля.

Таков порядок энергии, которая может освобождаться при ядерных реакциях. Однако в данном случае это не является экономически оправданным.

Вероятность ядерной реакции, как указывалось, составляет примерно 1 : 10 20 . Следовательно, для реакции, которую вызовет одна частица, необходимо затратить энергию на ускорение 10 20 протонов.

Использование ядерной энергии получило практическое значение только после открытия реакции деления ядер урана под действием нейтронов.

Примером отрицательного баланса может быть баланс реакции Резерфорда: кинетическая энергия альфа-частицы, вызывающей реакцию, должна быть не менее 7,7 Мэв энергия ядра азота ничтожно мала, энергия ядра кислорода после реакции 0,5 Мэв и энергия протона 6 Мэв.

Отрицательный баланс реакции 1,2 Мэв на одно ядерное превращение.

Аннигиляция реакция образования и аннигиляции пары

Позитрон и электрон, будучи античастицами, взаимодействуют и превращаются в два гамма-фотона (рис. 4, а):

₊₁е 0 + _-1е 0 → 2hv‘

Реакция была названа реакцией аннигиляции (уничтожения) пары.

Название это не отражает сущности явления, которое имеет существенное значение для правильного понимания единой природы материи.

В данном случае происходит превращение одной из форм материи — частиц вещества в другую форму — частицы поля (фотоны).

Это значение реакции аннигиляции подчеркивается тем, что существует обратная ей реакция образования пары, при которой гамма-фотон достаточно высокой энергии, пролетая сквозь вещество, под действием поля атома превращается в пару электрон-позитрон (рис. 4, б):

hv‘ → _-1e 0 + ₁e 0

При обеих реакциях должно выполняться соотношение Эйнштейна. Массе покоя т_е электрона или позитрона соответствует энергия Е_е = 0,51 Мэв или 8,2•10 -7 эрг. В первом случае эта энергия сообщается каждому из фотонов, в соответствии с чем они должны иметь частоту:

v‘ = E_e/h = (8,2 • 10 -7 )/(6,6 • 10 -27 ) = 1,24 • 10 20 гц.

Это подтверждается опытом.

Во втором случае hv ≥ т_ес 2 , т. е. энергия фотона должна быть не меньше суммы энергий электрона и позитрона, т. е. hv = 2•0,51 = 1,02 Мэв.

Это также подтверждается опытом. При соблюдении этого условия интенсивность образования пар зависит от природы вещества, в котором явление происходит. Она тем больше, чем выше атомный номер вещества.

Статья на тему Ядерные реакции

Ядерные реакции химия кратко

Деление тяжелых ядер

Термоядерные реакции

Определение

Немного истории

Какие ядерные реакции есть в физике

Деление атомных ядер

Термоядерные реакции

Видео

Что такое простейшие ядерные реакции

Механизм ядерных реакций

Условия при которых происходит ядерные реакции

Вероятность ядерной реакции

Закон пропорциональности массы и энергии

Соотношение Эйнштейна

Энергетическим баланс ядерной реакции

Расщепление протоном ядра лития

Аннигиляция реакция образования и аннигиляции пары

Похожие страницы: