Физика примеры всех возможных ядерные реакции. Ядерные реакции: просто и понятно

На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:

Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.

Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.

Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).

Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:

Ядро атома азота взаимодействовало с a -частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.

По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.

Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.

Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.

Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой . Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).

Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.

Теория относительности говорит, что масса - это особая форма энергии. Из этого следует, что можно преобразовать массу в энергию и энергию в массу. На внутриатомном уровне такие реакции имеют место. В частности, некоторое количество массы самого вполне может превратиться в энергию. Это происходит по нескольким путям. Во-первых, ядро может распасться на некоторое количество более мелких ядер, эта реакция называется «распадом». Во-вторых, более мелкие ядра могут запросто соединиться, чтобы получилось более крупное, - это реакция синтеза. Во Вселенной такие реакции весьма распространены. Достаточно сказать, что реакция синтеза - источник энергии для звезд. А вот реакция распада используется человечеством на так как люди научились контролировать эти сложные процессы. Но что же такое цепная ядерная реакция? Как ею управлять?

Что происходит в ядре атома

Цепная ядерная реакция - процесс, идущий при столкновении элементарных частиц или ядер с другими ядрами. Почему «цепная»? Это совокупность последовательных одиночных ядерных реакций. В результате этого процесса происходит изменение квантового состояния и нуклонного состава у исходного ядра, появляются даже новые частицы - продукты реакции. Цепная ядерная реакция, физика которой позволяет исследовать механизмы взаимодействия ядер с ядрами и с частицами, - это основной метод для получения новых элементов и изотопов. Для того чтобы понять протекание цепной реакции, надо вначале разобраться с одиночными.

Что нужно для реакции

Для того чтобы осуществить такой процесс, как цепная ядерная реакция, необходимо сблизить частицы (ядро и нуклон, два ядра) на расстояние радиуса сильного взаимодействия (примерно один ферми). Если расстояния большие, то взаимодействие заряженных частиц будет чисто кулоновским. В ядерной реакции соблюдаются все законы: сохранение энергии, момента, импульса, барионного заряда. Цепная ядерная реакция обозначается набором символов а, b, с, d. Символ а обозначает исходное ядро, b - налетающую частицу, с - новую вылетающую частицу, а d обозначает результирующее ядро.

Энергия реакции

Цепная ядерная реакция может проходить как с поглощением, так и с выделением энергии, которая равняется разности масс частиц после реакции и до нее. Поглощаемая энергия определяет минимальную кинетическую энергию столкновения, так называемый порог ядерной реакции, при которой она может свободно протекать. Данный порог зависит от частиц, которые участвуют во взаимодействии, и от их характеристик. На начальном этапе все частицы находятся в заранее определенном квантовом состоянии.

Осуществление реакции

Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций - как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции - величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.

Механизм реакции

Что такое цепная ядерная реакция? Как уже говорилось, это последовательность более простых реакций. Характеристики налетающей частицы и ее взаимодействия с ядром зависят от массы, заряда, кинетической энергии. Взаимодействие определяется степенью свободы ядер, которые и возбуждаются при столкновении. Получение контроля над всеми этими механизмами позволяет проводить такой процесс, как управляемая цепная ядерная реакция.

Прямые реакции

Если заряженная частица, которая налетает на ядро-мишень, только касается его, то длительность столкновения будет равна необходимому для преодоления расстояния радиуса ядра. Такую ядерную реакцию называют прямой. Общей характеристикой для всех реакций такого типа является возбуждение малого числа степеней свободы. В таком процессе после первого столкновения частица имеет еще достаточно энергии для преодоления ядерного притяжения. К примеру, такие взаимодействия, как неупругое рассеивание нейтронов, обмен заряда, и относятся к прямым. Вклад таких процессов в характеристику под названием "полное сечение" достаточно мизерный. Однако распределение продуктов прохождения прямой ядерной реакции позволяет определить вероятность вылета от угла направления пучка, селективность заселенных состояний и определить их структуру.

Предравновесная эмиссия

Если частица не покинет область ядерного взаимодействия после первого же столкновения, то она будет вовлечена в целый каскад из последовательных столкновений. Это фактически как раз то, что называется цепной ядерной реакцией. В результате такой ситуации кинетическая энергия частицы распределяется среди составляющих частей ядра. Само же состояние ядра будет постепенно сильно усложняться. Во время этого процесса на каком-то нуклоне или же целом кластере (группе нуклонов) может быть сконцентрирована энергия, достаточная для эмиссии этого нуклона из ядра. Дальнейшая релаксация приведет к формированию статистического равновесия и образования составного ядра.

Цепные реакции

Что такое цепная ядерная реакция? Это последовательность ее составных частей. То есть множественные последовательные единичные ядерные реакции, вызванные заряженными частицами, появляются как продукты реакции на предыдущих шагах. Что называется цепной ядерной реакцией? К примеру, деление тяжелых ядер, когда множественные акты деления инициируются полученными при предыдущих распадах нейтронами.

Особенности цепной ядерной реакции

Среди всех химических реакций большое распространение получили именно цепные. Частицы с неиспользованными связями выполняют роль свободных атомов или радикалов. При таком процессе, как цепная ядерная реакция, механизм ее протекания обеспечивают нейтроны, которые не имеют кулоновского барьера и возбуждают ядро при поглощении. Если в среде появляется необходимая частица, то она вызывает цепь последующих превращений, которые будут продолжаться до разрыва цепи из-за потери частицы-носителя.

Почему теряется носитель

Есть всего две причины потери частицы-носителя непрерывной цепи реакций. Первая заключается в поглощении частицы без процесса испускания вторичной. Вторая - уход частички за предел объема вещества, которое поддерживает цепной процесс.

Два типа процесса

Если в каждом периоде цепной реакции рождается исключительно единичная частичка-носитель, то можно назвать этот процесс неразветвленным. Она не может привести к выделению энергии в больших масштабах. Если же появилось много частиц-носителей, то это называется разветвленной реакцией. Что такое цепная ядерная реакция с разветвлением? Одна из полученных в предыдущем акте вторичных частиц продолжит начатую ранее цепь, а вот другие создадут новые реакции, которые тоже будут ветвиться. С этим процессом будут конкурировать приводящие к обрыву процессы. Полученная в результате ситуация будет порождать специфические критические и предельные явления. Например, если обрывов больше, чем чисто новых цепей, то самоподдерживание реакции будет невозможным. Даже если возбудить ее искусственно, введя в данную среду нужное количество частиц, то процесс все равно будет затухать со временем (обычно довольно быстро). Если же количество новых цепей будет превосходить количество обрывов, то цепная ядерная реакция начнет распространяться по всему веществу.

Критическое состояние

Критическим состоянием отделяют область состояния вещества с развитой самоподдерживающейся цепной реакцией, и область, где данная реакция невозможна вообще. Этот параметр характеризуется равенством между количеством новых цепей и числом возможных обрывов. Как и наличие свободной частицы-носителя, критическое состояние является основным пунктом в таком списке, как «условия осуществления цепной ядерной реакции». Достижение этого состояния может быть определено целым рядом возможных факторов. тяжелого элемента возбуждается всего одним нейтроном. В результате такого процесса, как цепная ядерная реакция деления, появляется больше нейтронов. Следовательно, этот процесс может произвести разветвленную реакцию, где носителями и будут выступать нейтроны. В том случае, когда скорость захватов нейтронов без деления или вылетов (скорость потери) будет компенсироваться скоростью размножения несущих частиц, то цепная реакция будет протекать в стационарном режиме. Это равенство характеризует коэффициент размножения. В приведенным выше случае он равен единице. В благодаря введению между скоростью выделения энергии и коэффициентом размножения возможно осуществить управление протеканием ядерной реакции. Если же этот коэффициент будет больше чем единица, то реакция будет развиваться по экспоненте. Неуправляемые цепные реакции используют в ядерном оружии.

Цепная ядерная реакция в энергетике

Реактивность реактора определяется большим количеством процессов, которые происходят в его активной зоне. Все эти влияния определяются так называемым коэффициентом реактивности. Влияние изменения температуры графитовых стержней, теплоносителей или урана на реактивность реактора и интенсивность протекания такого процесса, как цепная ядерная реакция, характеризуются температурным коэффициентом (по теплоносителю, по урану, по графиту). Также есть зависимые характеристики по мощности, по барометрическим показателям, по паровым показателям. Для поддержания ядерной реакции в реакторе необходимо превращение одних элементов в другие. Для этого нужно учитывать условия протекания цепной ядерной реакции - наличие вещества, которое способно делиться и выделять из себя при распаде некоторое количество элементарных частиц, которые, как следствие, будут вызывать деление остальных ядер. В качестве такого вещества зачастую используют уран-238, уран-235, плутоний-239. Во время прохождения цепной ядерной реакции изотопы данных элементов будут распадаться и образовывать два и более других химических веществ. При этом процессе излучаются так называемые «гамма»-лучи, происходит интенсивное выделение энергии, образуются два или три нейтрона, способные продолжить акты реакции. Различают медленные нейтроны и быстрые, ведь для того чтобы ядро атома распалось, эти частички должны пролететь с определенной скоростью.

Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.

Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.

1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.

Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)

Например:

2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):

Например:

(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.

Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:

Например:

К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:

р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)

3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).

Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.

Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):

В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:

По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.

Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-

Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):

93-7,. I 92 7_ I 1
40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.

Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:

Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:

При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.

Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):

при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.