Типы ядерных реакций — в помощь студенту

Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 01.02.2017 22:23 Просмотров: 3163

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Типы ядерных реакций - в помощь студенту

В зависимости от процессов, происходящих с ядрами атомов во время ядерных реакций, различают ядерные реакции деления и ядерные реакции синтеза.

Ядерные реакции деления

  • Типы ядерных реакций - в помощь студенту
  • Если в результате ядерной реакции ядро расщепляется на более мелкие ядра, такую реакцию называют ядерной реакцией деления.
  • Деление ядер может происходить самопроизвольно или в результате взаимодействия ядра с другими частицами.

При самопроизвольном, или спонтанном, делении ядро распадается на 2 равные части. Такое деление возможно только у тяжёлых ядер в момент, когда силы электростатического отталкивания протонов в ядре становятся больше ядерных сил. Вероятность этого события крайне мала. К примеру, за пять миллиардов лет лишь одна двухмиллионная часть ядер урана, самого тяжёлого элемента в природе, подверглась спонтанному распаду.

Большинство ядерных реакций деления тяжёлых ядер происходят под действием нейтронов.

В 1939 г. немецкие учёные Отто Ган и Фридрих Вильгельм Штрассман, исследуя элементы, образовавшиеся после облучения урана нейтронами, обнаружили радиоактивный изотоп бария, масса которого была значительно меньше массы урана. Учёные пришли к выводу, что барий образовался в результате распада ядер урана.

Объяснение этого процесса с точки зрения физики дали австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник, английский физик-ядерщик Отто Роберт Фриш. Они впервые употребили термин «деление» и выдвинули версию о делении ядра урана под воздействием нейтрона на 2 примерно одинаковых по массе осколка.

И в самом деле всё происходит именно так. В ядерной реакции деления тяжёлое ядро урана распадается на два (реже три) ядра, массы которых близки по величине.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Классификация статей платежного баланса - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

В природе встречаются три изотопа урана: 23492U, 23592U и 23892U. Особый интерес для физиков представляет реакция деления ядра урана 23592U. При попадании в него нейтрона, образуются 2 или 3 ядра-осколка и 2-3 нейтрона второго поколения.

Эти нейтроны способны вызвать деление других ядер урана и появление 4-9 нейтронов третьего поколения, которые могут бомбардировать новые ядра урана. Процесс деления нарастает лавинообразно.

Такую ядерную реакцию называют цепной реакцией деления.

Но так происходит только в идеальном случае. На самом деле не все нейтроны могут вызывать деление ядер урана23592U.  В добытом из урановой руды природном уране в процентном отношении 23592U составляет всего лишь 0,72%. Доля 23492U ещё меньше — 0,0055 %. Остальные 99,2745 % приходятся на долю 23892U.

Этот изотоп относительно устойчив и просто поглощает нейтроны, не давая начаться цепной реакции. Часть нейтронов поглощается ядрами других элементов, образовавшихся на предыдущем этапе цепной реакции. И их концентрации может оказаться недостаточно, чтобы цепная реакция развивалась.

Поэтому, чтобы цепная реакция продолжалась, необходимо, чтобы на следующем этапе реакции нейтронов было больше, чем на предыдущем.

В куске урана с маленькой массой нейтроны могут вообще вылетать за его пределы, не успев столкнуться ни с одним ядром.  Минимальную массу вещества, которая необходима для начала самоподдерживающейся цепной реакция деления, называют критической массой. Для природного урана 23592U критическая масса равна 50 кг.

В результате реакции деления 23592U возможно образование около ста различных изотопов: 14456 Ba (барий), 14054 Хе (ксенон), 94 38 Sr (стронций) и т.д.

Так как в образовавшихся ядрах-осколках наблюдается избыток нейтронов, то они нестабильны.

В них происходят последовательно β–-распады, в результате которых протонов в ядрах становится больше, а количество нейтронов уменьшается. И так продолжается до тех пор, пока новое ядро не станет стабильным.

В процессе деления одного ядра урана освобождается кинетическая энергия порядка 200 МэВ. Это огромная величина. И человечество научилось использовать её с пользой для себя, создав управляемые ядерные реакторы.

Ядерные реакции синтеза

  1. Типы ядерных реакций - в помощь студенту 
  2. Процесс слияния лёгких ядер в одно, более тяжёлое, ядро называется ядерной реакцией синтеза.
  3. Ядерная реакция синтеза – по сути прямая противоположность реакции деления, так как в ней происходит объединение более мелких ядер в более крупные.

Атомные ядра имеют положительный заряд. Следовательно, их слиянию препятствуют силы электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Но если сблизить ядра на расстояние, равное размеру их ядер (10−15 м), на них начнут действовать ядерные силы притяжения, примерно в 100 раз превосходящие силы электростатического отталкивания. Поэтому чтобы началась реакция синтеза, ядра должны преодолеть «кулоновский барьер». Это возможно только в том случае, если кинетическая энергия теплового движения молекул вещества больше потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Для этого вещество должно быть нагрето до очень высоких температур (примерно 108–109 К). При такой температуре оно представляет собой ионизированную плазму. Это особое состояние вещества, в котором ядра и электроны как бы независимы друг от друга.

  • Реакцию синтеза, проходящую при сверхвысоких температурах, называют термоядерной реакцией (от греческого слова therme, что означает «жар»).
  • Термоядерные реакции проходят с выделением энергии. И если при делении одного ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ (0, 9 МэВ на 1 нуклон), то в термоядерной реакции синтеза ядер изотопов водорода дейтерия и трития с образованием гелия выделяется 17,6 МэВ:
  • 21H + 21H → 42He + 10n + энергия (17,6 МэВ).
  • В природе термоядерные реакции протекают в звёздах.

Искусственная термоядерная реакция на Земле впервые была проведена на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 г., где взорвали ядерную бомбу, созданную академиком Сахаровым. Эта реакция была неуправляемой.

Многие годы физики пытаются научиться управлять термоядерными реакциями. Но сделать это сложно технически.

Прежде всего нужно получить высокую температуру порядка 108К.  Эту задачу смогли решить в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, создавая в плазме электрические разряды огромной мощности в установках «Токамак» (ТОриодальная КАмера с МАгнитными Катушками). Уже в 1969 г. удалось получить температуру порядка 3 M°C.

В 1983 г. в Европе была создана установка JET (Joint European Torus),в которой плазму удалось нагреть до 150 M°C. На данный момент это крупнейший в мире Токамак.

Но как удержать плазму внутри камеры? Ведь в природе не существует материалов, способных выдержать сверхвысокую температуру в миллионы градусов. Это удалось сделать, поместив камеру в тороидальное магнитное поле, где плазма в виде шара «повисает» на индукционных линиях магнитного поля, не касаясь при этом стенок камеры.

К сожалению, длительно удерживать плазму пока не научились. Но если учёным удастся сделать это, человечество сможет управлять термоядерной реакцией и получит практически неисчерпаемый источник энергии.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/fizika-atoma-i-atomnogo-yadra/668-vidy-yadernykh-reaktsij

6.8. Ядерные реакции



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

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

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер (см. § 6.5). Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами.

При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

Типы ядерных реакций - в помощь студенту

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

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

Типы ядерных реакций - в помощь студенту

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами.

Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами.

Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс.

Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q 

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph8/theory.html

Ядерные реакции и их основные типы

  • Ядерная реакцияэто превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами ) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
  • , или ,
  • где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частица.

В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния; эффективное сечение поглощения.

Эффективное сечение ядерной реакции σ находится по формуле:

, Типы ядерных реакций - в помощь студенту (9.5.1)

где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма nядер; dN– число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция.

Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1 барн = 10–28 м2).

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные реакции могут быть какэкзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).

Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

Типы ядерных реакций - в помощь студенту . (9.5.2)

Первая стадия – это захват ядром Xчастицы a, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно ), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром).

Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра, один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон) или αчастица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра.

В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

В ядерной физике вводится характерное ядерное времявремя, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра ( ). Так для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует её скорости 107 м/с) характерное ядерное время .

С другой стороны, доказано, что время жизни составного ядра 10–16 – 10–12 с, т.е. составляет (106 – 1010)τ. Это означает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столкновений нуклонов между собой, т.е. перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно.

Следовательно, составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускаемые им частицы b) – вторая стадия ядерной реакции – не зависит от способа образования составного ядра, первой стадии.

Читайте также:  Жесткие и мягкие кислоты и основания - в помощь студенту

Если испущенная частица тождественна с захваченной ( ), то схема (4.5.2) описывает рассеяние частицы: упругое – при ; неупругое – при . Если же испущенная частица не тождественна с захваченной ( ), то имеем сходство с ядерной реакцией в прямом смысле слова.

Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями(например реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

  1. · по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;
  2. · по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольтов), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
  3. · по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
  4. · по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испускании одинго или нескольких γ-квантов).

. 55. Позитрон. В+распад. Электронный захват

Позитро́н (от англ. positiveположительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 имассу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ свеществом.

Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон.

Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле.

Бета-распад

Бе́та-распа́д — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу(электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус-распадом» ( ), а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» ( ). Кроме и -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронноенейтрино ( -распад, электронный захват) или антинейтрино ( -распад).

  • Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтронана протон, электрон и электронное антинейтринопри участии тяжёлого W-бозона
  • Бета-минус-распад атомного ядра
  • В -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:
  • .
  • На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона.
  • В -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:
  • .

Таким образом, в отличие от -распада, -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона.

-распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра.

Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

  1. Во всех случаях, когда β+-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:
  2. .
  3. Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещёнзаконом сохранения энергии.
  4. Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например:
  5. ( распад),
  6. ( распад),
  7. (электронный захват).

Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A, но меняет только его заряд Z. Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде.

Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A, Z) числа, соседние ядра (A, Z−1) и (A, Z+1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A, Z), но не наоборот.

Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклеосинтеза.

Например, 40K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277·109 лет.

Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантовомеханическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми.

Электро́нный захва́т, e-захват — один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу.

Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер.

Если энергетическая разница между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом.

Например, рубидий-83превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).

Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева.

  • Общая формула электронного захвата
  • Примеры:

⇐ Предыдущая567891011121314

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://lektsia.com/7x523c.html

Ядерные реакции

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

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.

  1. Так, с помощью протонов, прошедших через ускоритель, в 1932 году удалось разбить ядро лития (получив при этом две -частицы):
  2. (2)
  3. Ядерные реакции дали возможность искусственного превращения химических элементов.
  4. 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:
  5. (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:

  1. Из (6) легко получаем:
  2. (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.

  1. Выделившаяся энергия:
  2. МэВ.
  3. Теперь рассмотрим второй пример. При бомбардировке ядер лития -частицами происходит реакция:
  4. (8)
  5. 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).

Читайте также:  Кодирование изображений, звуковой и видеоинформации - в помощь студенту

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/

Виды ядерных реакций

Ядерные реакции в лабораторных условиях выполняются путем бомбардировки ядер, содержащихся в реакциях, в процессе которого меняется структура ядра.

В основном, они осуществляются для выяснения механизма взаимодействия нуклонов друг с другом и нуклонов с ядрами или для определения той или иной квантовой характеристики ядра. Число известных ядерных реакций более тысячи.

Рассмотрим типы ядерных реакций, имеющих историческое значение. В общем виде ядерные реакции можно записать в следующем виде:

,где

Столкновения, при которых меняется структура ядра, называются ядерными столкновениями, а реакцию при этом обозначают .

Рассмотрим типы реакций:

I) Ядерные реакции под действием а-частиц. В значительном числе случаев реакции под действием а-частиц сводятся к образованию составного ядра, которое потом распадается. Этим они сходны с реакциями, идущими под действием нейтронов и протонов.

Существующее же различие в зарядах сказывается лишь на проницаемости кулоновского потенциального барьера. Сечения ядерных реакций, обусловленных захватом а-частиц в области малых энер­гий, ничтожно малы и быстро возрастают с увеличением энергии.

Под действием частиц идут преимущественно реакции типа и . Частицы, возникшие при радиоактивном распаде, могут вызвать реакции только на легких ядрах, для которых высота кулоновского потенциального барьера имеет порядок 10 МэВ. В этом случае вероятность реакций больше, чем реакций типа , так как для протона тоже существует кулоновский барьер, затрудняющий его вылет.

Высота кулоновского барьера для реакций на тяжелых ядрах имеет порядок 25 МзВ. При энергиях а — частиц, превышающих это значение, реакции типа и идут примерно с равной вероятностью.

1) Реакция . Формула смещения для них: . Примером такой реакции может быть реакция, осуществленная Резерфордом в 1919 г.

или При этих реакциях, как правило, образуются стабиль­ные ядра.

  • или
  • Примером такой реакции может быть реакция на алюминии, которая позволила супругам Кюри обнаружить исскуственную радиоактивность
  • или .
  • 3) В 1932 г. Чедвиг открыл существование нейтрона в подобной реакции на бериллии:
  • или .

II) Ядерные реакции под действием протонов. Под действием протонов идут реакции , , , , .

1) Реакции типа идут преимущественно на легких ядрах, так как выход α — частиц из тяжелых ядер сильно затруднен кулоновским барьером. Обычно эти реакции экзоэнергетические. Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция, осуществляемая с помощью частиц, ускоренных на ускорителях в 1932 г.

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Исследование этих реакций помогло выяснить механизм протекания ядерных реакций .

3) Реакции типа Формула смещения для них . Реакции этого типа всегда эндоэнергетические с порогом порядка (1 — З) МэВ. Как правило, ядро — продукт, приоб­ретая добавочный положительный заряд, проявляет β+ — или К — активность. Примером такой реакции может быть реакция

4) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция

5) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером такой реакции может быть реакция . Данная реакция служит источником γ-лучей до 17 МэВ, в результате чего получаются жесткие лучи.

III) Реакции, идущие под действием дейтрона. Ядерные реакции под действием дейтронов имеют большое практическое значение. Выход этих реакций обычно гораздо больше выходов соответствующих реакций под действием других заряженных частиц.

Кроме того, следствием малой величины энергии связи дейтрона является большая энергия возбуждения промежуточного ядра, и, как правило, реакции с поглощением дейтрона экзоэнергетические Особенности протекания реакций под действием дейтронов определяются тем, что дейтрон представляет собой слабосвязанное «рыхлое» ядро ( = 2,23 МэВ). Нуклоны в ядре дейтрона находятся на довольно большом расстоянии друг от друга (~4-10~13 см), и распределение заряда в нем чрезвычайно «асимметрично».

При этом идут реакции и .

Такие реакции при высоких энергиях называются реакциями срыва, а при малых энергиях — процессом Оппенгеймера — Филипса (или процессом неполного проникновения дейтрона в ядра).

В отличие от рассмотренного выше механизма протекания ядерной реакции с образованием промежуточного ядра в процессах 3-го типа дейтрон вообще не попадает в атомное ядро. Благодаря большим размерам дейтрона при его приближении к ядру нейтрон может проникнуть в ядро мишени, когда протон будет находиться еще довольно далеко от ядра.

При этом произойдет развал дейтрона, а из-за кулоновского отталкивания протон не проникнет в ядро. Поэтому при малых энергиях реакция более вероятна, чем реакция . Если бы эти реакции шли через составное ядро, то имела бы место обратная картина, поскольку вылет протона из составного ядра затрудняется кулоновским барьером. При высоких энергиях дейтрона реакции и происходят одинаково часто. В этих процессах наблюдается анизотропия углового распределения продуктов реакции, которые летят преимущественно вперед, что также противоречит модели составного ядра.

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция срыва, теоретически рассмотренная Оппенгеймером . .

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

3) Бомбардировка ядра дейтроном, приводящая, как обычно, к образованию составного ядра. При этом идет реакция по следующей схеме . Примером служит реакция .

IV) Фотоядерные реакции (реакции под действием γ — лучей). Под действием γ — лучей возможны реакции типа и Все они похожи на рассмотренный ранее процесс фотоэлектриче­ского поглощения γ -лучей атомом и поэтому называются ядерным фотоэффектом. Для осуществления одной из таких реакций необ­ходимо, чтобы энергия γ — кванта была больше энергии связи соот­ветствующей частицы в ядре.

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция .

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция .

Исследование выхода протонов и нейтронов в реакциях , , а также углового и энергетического распределения продуктов реакции показало, что эти реакции также противоречат концепции составного ядра.

V) Ядерные реакции под действием нейтронов. Под действием нейтронов возможны реакции типа , , , , .

1) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

2) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция

3) Реакции типа . Формула смещения для них . Примером служит реакция , а также реакция, в результате которой получен первый трансурановый элемент — 1-ая реакция в результате которой получен трансурановый элемент и наконец ядерные реакции, вызванные ускоренными частицами. Например,

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/9_118133_vidi-yadernih-reaktsiy.html

Ядерные реакции и их классификация

Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с у-квантами) или друг с другом. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

где X и У — исходное и конечное ядра, а и Ь — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения зарядовых и массовых чисел: сумма зарядовых (массовых) чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых (массовых) чисел конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Важную роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме:

Первая стадия — это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 2 • 10 15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбужденном состоянии.

При столкновении нуклонов составного ядра один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон — ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, содержащее один протон и один нейтрон) или сх-частица может получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате возможна вторая стадия ядерной реакции — распад составного ядра на ядро У и частицу Ь.

Классификация ядерных реакций

По роду участвующих в реакциях частиц:

  • • реакции под действием нейтронов;
  • • реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, (Х-частиц).

По энергии вызывающих реакции частиц:

  • • реакции при малых энергиях (порядка эВ), происходящие в основном с участием нейтронов;
  • • реакции при средних энергиях (несколько МэВ), происходящие с участием уквантов и заряженных частиц;
  • • реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения.

По роду участвующих в реакциях ядер:

  • • реакции на легких ядрах 150).

По характеру происходящих ядерных превращений:

  • • реакции с испусканием нейтронов;
  • • реакции с испусканием заряженных частиц. Первая в истории ядерная реакция (Резерфорд; 1919)

Источник: https://bstudy.net/716850/estestvoznanie/yadernye_reaktsii_klassifikatsiya

Ссылка на основную публикацию