Реферат по физике на тему ядерные реакции

Обновлено: 18.05.2024

I. Ядерная физика - область физики, занимающаяся изучением структуры и свойств атомных ядер , ядерных превращений и элементарных частиц . Является научной основой ядерной техники , ядерной энергетики , ядерного оружия . Методы ядерной физики широко применяют в биологии , медицине , химии и других.

Ядерное оружие - оружие массового поражения взрывного действия , основанное на использовании внутриядерной энергии , выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер - изотопов водорода . В результате выделения огромного количества энергии при взрыве поражающие факторы ядерного оружия существенно отличаются от действия боеприпасов в обычном снаряжении . Основные поражающие факторы ядерного оружия : ударная волна , световое излучение , проникающая радиация , радиоактивное заражение , электромагнитный импульс .

Впервые ядерное оружие применило США в 1945 году для ядерных бомбардировок японских городов Хиросимы и Нагасаки . Применение ядерного оружия чревато катастрофическими последствиями для всего человечества , поэтому я решил более подробно ознакомится с физикой ядер.

П. Что такое ядерная реакция. Первые исследования ядерных реакций

Ядерные реакции—это превращения атомных ядер при их взаимодействии между собой и с другими частицами, такими, как нейтроны, протоны, дейтроны, гамма-фотоны, многозарядные ионы и т. п. Под действием другого ядра или бомбардирующей частицы происходит изменение состава и строения исходного ядра, в результате чего в большинстве случаев получается новое ядро (конечное ядро реакции) и обычно еще какая-либо ядерная частица. Самопроизвольные превращения неустойчивых радиоактивных ядер, с которыми мы познакомились выше, не относятся к ядерным реакциям в их современном понимании.

В ядерных реакциях происходит либо выделение энергии и соответствующей массы, либо их поглощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реакциях, называют ядерной.

По роду участвующих в ядерных реакциях бомбардирующих частиц различают:

а) реакции под действием заряженных частиц— альфа-частиц, протонов и т. д.;

б) реакции под действием нейтронов; в) реакции под действием гамма-фотонов.

Мы знаем, что ядерные силы, связывающие нуклоны ядра воедино, имеют огромную величину и в миллионы раз превышают силы, удерживающие электроны оболочки атома. Поэтому естественно, что для осуществления ядерных превращений требуются частицы с большой энергией. Единственным источником таких частиц, известным в начале XX столетия, были естественные радиоактивные изотопы, испускающие альфа-частицы. Их-то и использовал в качестве "ядерных снарядов" Э. Резерфорд, осуществивший в 1919 г. первую ядерную реакцию. Резерфорд выбрал для своих опытов быстрые альфа-частицы

с энергией 7,7 Мзв, испускаемые изотопом полония-214. В качестве мишени для обстрела были выбраны легкие элементы. Такой выбор объясняется тем, что альфа-частицы (ядра атомов гелия), как и всякие ядра, имеют положительный заряд. При приближении к обстреливаемому ядру, также положительно заряженному, альфа-частица испытывает действие силы электрического отталкивания тем больше, чем больше заряд ядра. Поэтому от тяжелых ядер альфа-частицы естественных радиоактивных изотопов отталкиваются, не проникая внутрь их. В легкие же ядра такие частицы могут проникать.

Первым веществом-мишенью, с которым Резерфорду удалось осуществить ядерную реакцию, был азот. Под действием альфа-частиц ядра азота превращались в ядра кислорода.

После длительных и напряженных исследований было установлено, что реакция протекает в два этапа еле дующим образом.

1. Альфа-частица (2Не 4 ) проникает внутрь ядра азота (7К 14 ) и поглощается им,
в результате чего образуется составное или промежуточное ядро типа

фтора (9Р ) в возбужденном состоянии, поскольку энергия альфа-частицы быстро распределяется между нуклонами ядра и как бы "подогревает" его. Проникновение альфа-частицы внутрь ядра азота и слияние с ним занимает по современным представлениям время порядка Ю- 21 сек (ядерная постоянная времени).

2. Через некоторое время порядка Ю- 14 сек (время жизни составного ядра)
'составное ядро, испуская (как бы "испаряя") протон ( <Н1), превращается в
устойчивое ядро изотопа кислорода с массовым числом 17 (80 ); большая
часть избыточной энергии составного ядра уносится протоном.

Вся эта реакция может быть записана следующим образом:

Индексы справа вверху означают, как обычно, массовые числа ядер, а цифры внизу—их атомные номера.

Атомный номер указывает число элементарных электрических зарядов в ядре. Согласно закону сохранения электрические заряды не создаются и не исчезают, а только перераспределяются. Поэтому сумма нижних цифр исходных продуктов (7+2=9) должна равняться сумме нижних цифр конечных продуктов реакции (8+1=9). Аналогично этому и суммы массовых чисел левой и правой частей уравнения также должны быть равны между собой (14 + 4 : 18 == 17 + 1). Этими правилами следует руководствоваться при написании уравнений ядерных реакций.

Превращение азота в кислород было первым примером искусственного превращения элементов. Резерфорд наблюдал превращения многих других элементов (бор, фтор, натрий, алюминий и др.) при бомбардировке их ядер альфа-частицами.

Таким образом, мечта средневековых алхимиков о получении золота и других драгоценных металлов из дешевых свинца, ртути и меди стала осуществляться.

Физики XX столетия, изучая свойства атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научились осуществлять подобные превращения. Например, в ядре атома ртути 80 протонов (2 = 80). Можно выбить один из них. Мы получим тогда ядро, содержащее 79 протонов (2=79). Это и будет ядро атома золота. Но только золото, добываемое подобным способом, обходится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ его производства пока не имеет практического применения.

Открытие нейтрона и искусственной радиоактивности

Идя по пути, проложенному Резерфордом, и применяя альфа-частицы естественных радиоактивных изотопов для бомбардировки различных веществ, удалось сделать еще два открытия, огромное значение которых невозможно переоценить.

Первым из этих открытий было открытие нейтрона, принадлежащее ученику
Резерфорда—английскому физику Д. Чвдвику; вторым открытие

искусственной радиоактивности французскими физиками Фредериком и Ирэн Жолио-Кюри.

История открытия нейтрона такова. В 1930 г. немецкие физики Боте и Беккер обнаружили, что бериллий (4Ве 9 ) при бомбардировке его альфа-частицами испускает лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Из последнего следует, что эти лучи не обладают ионизирующим действием и, следовательно, являются электрически нейтральными. Поэтому исследователи предположили, что "бериллиевые лучи", как их тогда называли, представляют собой гамма-лучи очень большой энергии.

Проникающая способность гамма-лучей сильно зависит, как мы знаем, от энергии их фотонов и может служить мерой последней. Произведя измерение проникающей способности "бериллиевых лучей", Боте и Беккер определили энергию их фотонов. Она оказалась равной 7 Мэв.

Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри обнаружили в своих опытах, что ионизирующее действие "бериллиевых лучей" сильно возрастает, если их пропустить через пластинку парафина, содержащего большое число атомов водорода. Было доказано, что этот эффект обусловлен тем, что "бериллиевые лучи" выбивают из парафина быстрые протоны, которые и производят сильную ионизацию. Из этих опытов можно было также определить энергию фотонов, принимая вслед за Боте и Беккером "бериллиевые лучи" за гамма-лучи. Подсчеты показали, что гамма-фотоны должны обладать энергией в 55 Мэв и более.

Как видим, измерение одной и той же величины, произведенное разными методами, дает совершенно' различные результаты: 7 Мэв и 55 Мэв. Столь противоречивые результаты свидетельствовали об ошибочности исходного предположения, сделанного Боте и Беккером.

Объяснение наблюдаемым фактам дал в 1932 г. Д. Чадвик. Он показал, что все противоречия исчезают, если предположить, что "бериллиевые лучи" представляют собой поток нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона, Эти частицы и были названы нейтронами. Опыты подтвердили эту гипотезу. Было

доказано, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами происходит следующая ядерная реакция:

где оп!—символ нейтрона, заряд которого нуль, а массовое число равно единице.Открытие искусственной радиоактивности было сделано в результате опытов по бомбардировке альфа-частицами ядер алюминия, магния и бора, которые были проведены в 1933 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Окончательные выводы были опубликованы в январе 1934 г. Ученые обнаружили, что в ряде случаев бомбардируемое вещество дает излучение и после того, как источник альфа-частиц удален. Причем интенсивность этого излучения убывает с течением времени по экспоненциальному закону аналогично тому, как это происходит у естественно радиоактивных изотопов . Так, например, интенсивность излучения алюминия, подвергнутого бомбардировке альфа-частицами, уменьшалась вдвое через каждые 2,18 мин.

В результате исследования было установлено, что при бомбардировке стабильного изотопа алюминия 13 А1 27 происходит следующая ядерная реакция:

Возникающий в результате реакции радиоактивный изотоп фосфора 15Р 30 , отсутствующий в природе, распадается в последующее время с испусканием позитрона, пре вращаясь в устойчивый изотоп кремния 1431 :

где 43е°— символ позитрона, открытого незадолго до опытов Жолио-Кюри в космических лучах.

Период полураспада фосфора составляет 2,18 мин, максимальная энергия позитронов— около 3,5 Мэв. Жолио-Кюри обнаружили, что бор и магний также образуют радиоактивные изотопы соответственно азота 7К 13 и кремния 1451 27 , которые испускают позитроны.

Таким образом, Жолио-Кюри показали, что в результате бомбардировки альфа-частицами соответствующих мишеней могут возникать радиоактивные изотопы у таких элементов, ядра которых в природных условиях устойчивы (стабильны). Искусственно вызываемая радиоактивность получила название искусственной радиоактивности. Открытие ее было одним из крупнейших событий современного естествознания; оно указало пути искусственного получения радиоактивных изотопов и оказало' огромное влияние на развитие всей науки и техники.

Фундаментальное открытие Ф. и И. Жолио-Кюри нового вида радиоактивности вызвало к жизни ряд замечательных работ в разных странах, что привело к открытию новых ядерных явлений первостепенного значения и к широкому

применению искусственной радиоактивности в самых разнообразных областях науки и техники.

В середине 1934 г. в Италии Э. Ферми и его сотрудники открыли, что эффективными возбудителями искусственной радиоактивности являются нейтроны. Например, при бомбардировке нейтронами стабильного изотопа 'натрия 1Ша 23 возникает радиоактивный изотоп 1Ша 24 , который в последующем, испуская электрон и гамма-фотон у, превращается в стабильный изотоп магния 12М§ 24 . Процесс протекает по следующей схеме:

Поглощение нейтрона ядром натрия Ка ведет к образованию более тяжелого
изотопа Ка 24 того же химического элемента. Химические свойства обоих
изотопов одинаковы, а ядерные свойства существенно различны. Ядро Ка 23
стабильно (устойчиво), а ядро Ка 24 неустойчиво (радиоактивно) и, имея
лишний нейтрон, претерпевает бета-распад, испуская электрон и превращаясь
благодаря этому в устойчивый изотоп магния 12М§ 24 .

Ферми установил, что радиоактивные изотопы образуются в результате бомбардировки нейтронами не только у легких, но и у тяжелых элементов. При этом оказалось, что нейтроны, замедленные до скоростей теплового движения молекул (порядка километра в секунду), охотнее захватываются ядрами и, как следствие этого, эффективнее возбуждают искусственную радиоактивность.

Впоследствии выяснилось, что радиоактивные изотопы образуются также при бомбардировке стабильных изотопов быстрыми протонами, дейтронами и другими заряженными частицами.

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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Реферат

на тему: Элементы ядерной физики

1.1 Строение атомов, ядер

Как известно, все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов.

Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая частица химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращающихся вокруг электронов.

Кликните мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.

Ядра атомов образованы совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов мезонами, частицами меньшей массы.

Ядро элемента X обозначают как или X-A, например уран U-235 - ,

где Z - заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A - массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.

Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами (например, уран имеет два изотопа U-235 и U-238); ядра при N=const, z=var - изобарами.

1.2 Ядерные реакции

Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра или иначе элементарные частицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могут взаимодействовать с ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицы могут захватываться ядрами, либо после столкновения - менять направление движения, отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакция без проникновения внуть ядра называется упругим рассеянием.

После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном состоянии. "Освободиться" от возбуждения ядро может несколькими способами - испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатам различают реакции - захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.

Вероятность реакции характеризуется величиной "поперечного сечения" реакции данного типа

1.3 Радиоактивность

Радиоактивность вошла в сознание человечества всего лишь примерно 100 лет тому назад. Лишь в 1986 году А. Бекерель обнаружил некие х-лучи, засвечивавшие фотопластинки. Затем было установлено, что радиоактивность - это свойство испускать потоки заряженных aльфа, бета и нейтральных гамма частиц. Усилиями многих ученых было обнаружено,что aльфа-частицы представляют собой ядра гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-частицы - поток квантов света. Было установлено, что многие вещества являются естественными излучателями частиц, из которых некоторые, как например радий, оказались очень интенсивными источниками радиации.

Различные комбинации нуклонов в ядрах управляются законами ядерных взаимодействий, взаимное положение и движения внутри ядер определяется действием короткодействующих ядерных сил. Известно,что существует некоторая зависимость между числом протонов и нейтронов в ядрах, в рамках которой реализуется стабильность ядер. Эта зависимость для устойчивых ядер имеет вид:

Различные виды радиоактивных превращений можно описать:

,
где X * - составное ядро, A=A ₁ +A ₂ , Z=Z ₁ +Z ₂ , E - выделенная энергия.

Дочерние продукты радиоактивных процессов могут также претерпевать распад - так возникают цепочки радиоактивных превращений. Важной разновидностью радиоактивных превращений является т.н. спонтанное деление тяжелых ядер, открытое Флеровым и Петржаком в 1942 году. Радиоактивный распад это процесс статистический, т.е. управляемый вероятностными законамиi. Однако, в среднем, за времена большие времен характерных внутренних процессов - это вполне детерминированное явление. Так, можно записать уравнение радиоактивного распада, имеющее вид

где А _i - число ядер изотопа А _i в единице обьема,
- константа радиоактивного распада изотопа А _i .

Величина определяет другую, часто используемую характеристику радиоактивного распада изотопов - период полураспада T_1/2:

время в течение которого количество вещества за счет радиоактивного распада уменьшается в два раза.

Интенсивность радиоактивного распада измеряется в единицах, называемых "беккерель" (1 Бк = 1 распад / 1 сек). Важная единица интенсивного радиоактивного распада - кюри (1 кюри = 3,7*10 10 Бк = 37 ГБк)

1.4 Деление ядер

Кликните мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.

Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.

После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

Дифференциальное уравнение превращений осколков деления можно записать в виде:

где A_i - число ядер изотопа i в единице объема ,
Q(t) - число актов деления в единице объема в единицу времени в момент t,
- выход изотопов A_i в акте деления,
- константа радиоактивного распада изотопа A_i,
- плотность потока нейтронов,
- сечение поглощения нейтронов ядрами изотопа A_i ,
- константа перехода к-того изотопа в i-тый.

Для решения этой системы уравнений нужно задать начальные условия, знать схемы и константы всех радиоактивных переходов. Суммируя по группам изотопов, имеющих тот или иной тип радиоактивности, можно определить интенсивность радиоактивного распада в функции времени. В [3] представлены детали и результаты таких расчетов.

Наиболее значимые осколки деления - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr и др.

В Таблице 1 [ ] даны некоторые характеристики осколков деления

Таблица 1. Характеристики некоторых радионуклидов и продуктов деления урана-235

Для многих задач определенный интерес представляют данные об активности топливных элементов после некоторой выдержки их вне реактора.

Для нас важно отметить сейчас, что осколки деления обладают значительной радиационной способностью. Так 1 грамм осколков деления обладает активностью ~0,3 кюри. Эта активность медленно уменьшается по закону

E=2,66*t -1,2 MeV/дел.сек, где t - время в сек.

2 Элементы нейтронной физики

2.1 Ядерный реактор

Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с освобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя, размещенных в защитном корпусе.Активная зона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы обычно имеют вид тонких стержней. Они собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками или кассетами.

Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель, который воспринимает тепло ядерных превращений. Нагретый в активной зоне теплоноситель двигается по контуру циркуляции за счет работы насосов либо под действием сил Архимеда и, проходя через теплообменник, либо парогенератор, отдает тепло теплоносителю внешнего контура. Перенос тепла и движения его носителей можно представить в виде простой схемы:

2.2 Размножение нейтронов

Размножение нейтронов является основой самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер.

Цикл размножения нейтронов начинается с акта захвата нейтрона ядром тяжелых (U-235, Pu-239 и других "делящихся") элементов. Интенсивность захватов, т.е. число актов захватов нейтронов в единице объема в единицу времени есть

где n - плотность нейтронов,
v - их скорость,
- плотность ядер поглотителя,
- вероятность поглощения нейтрона, т.н. сечение поглощения . Индекс c означает "capture", т.е. захват.
Величина nv= - называется потоком нейтронов,
- макроскопическим сечением поглощения.

При каждом акте деления ядер тяжелых "делящихся" элементов испускается 2-3 новых, "быстрых" нейтронов. Это число обозначают v_f. Пересчитывая на один акт захвата нейтрона, это число следует умножить на вероятность деления относительно деления и радиационного захвата, т.е. отношение и . Произведение обозначают v_c.

Это число вторичных быстрых нейтронов на один акт захвата нейтрона ураном-235, равно примерно 2. Учитывая что топливо реакторов содержит большую долю неделящегося изотопа урана-238, число новых нейтронов на один акт захвата в уране топлива составляет

Число новых нейтронов, родившихся в единице объема топлива в единицу времени есть

Эти нейтроны сталкиваясь с ядрами окружающего топлива могут произвести дополнительные акты деления ядер топлива, произвести как говорят "размножение на быстрых нейтронах". Это умножение поколения нейтронов обозначают буквой . Далее нейтроны, сталкиваясь с ядрами замедлителя,теплоносителя и конструктивных элементов теряют свою энергию, "замедляются". При этом некоторая их доля поглощается (без деления) на резонансах сечения поглощения тяжелых элементов и выбывает из игры, а некоторая диффундирует во внешнее пространство и тем самым также теряется.

Долю нейтронов "избежавших резонансный захват" обозначают через , а долю избежавших "утечку"при замедлении - через . Тогда число "замедлившихся" нейтронов в единицу времени в единице объема, ставших "тепловыми", т.е. потерявших свою энергию рождения (~ 2 Мev) есть

где - геометрический параметр, - "возраст" нейтронов.

Эти нейтроны, "дифундируя" в среде, могут потеряться за счет утечки и поглощения в материалах активной зоны. Долю нейтронов, избежавших утечку при диффузии в тепловой области энергии (~kT ev) обозначают через , а долю нейтронов поглощенных в тяжелых элементах относительно полного поглощения во всех материалах активной зоны через . Число нейтронов прошедших весь нейтронный цикл на один нейтрон, поглощенный в тяжелых элементах, т.е. прошедших цикл размножения, замедления, диффузии в тепловой области есть

Произведение называют коэффициентом размножения нейтронов в бесконечной среде - k "бесконечное", а - эффективным коэффициентом размножения нейтронов в конечной среде, k - "эффективное".

Реактивность

Реактор называется критическим, если число новых нейтронов при каждом акте их захвата ядрами урана, избежавших резонансный захват в уране-238 и утечку из реактора при замедлении и диффузии, точно равно числу поглощенных. Это состояние cоответствует равенству k _eff =1 Величина 1-k _eff /k _eff =r называется реактивностью . Эта величина определяет темп разгона реактора при r>0 .

3 Литература

"Ядерная физика",
пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная литература", 1951 г.

"Ядерная физика",
Москва, Атомиздат, 1975 г.

А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик

"Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах",
Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.

В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский

"Радиационные характеристики облученного ядерного топлива",
справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.

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.

Читайте также: