Ядерные реакции в природе. Ядерные реакции: просто и понятно

План:

1 Составное ядро
- 1.1 Энергия возбуждения
- 1.2 Каналы реакций
2 Сечение ядерной реакции
- 2.1 Выход реакции
3 Прямые ядерные реакции
4 Законы сохранения в ядерных реакциях
- 4.1 Закон сохранения энергии
- 4.2 Закон сохранения импульса
- 4.3 Закон сохранения момента импульса
- 4.4 Другие законы сохранения
5 Виды ядерных реакций
- 5.1 Деление ядра
- 5.2 Термоядерный синтез
- 5.3 Фотоядерная реакция
- 5.4 Другие
6 Запись ядерных реакций

Введение

Ядерная реакция лития-6 с дейтерием 6 Li(d,α)α

Я́дерная реа́кция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием .

1. Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время , то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10 −23 - 10 −21 с. При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции.

1.1. Энергия возбуждения

Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии :

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра .

1.2. Каналы реакций

Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции . Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает» каким способом образовалось, следовательно образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени .

2. Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах - барнах, равных 10 −24 см².

2.1. Выход реакции

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц называется выходом ядерной реакции . Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции .

3. Прямые ядерные реакции

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются прежде всего распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия .

4. Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа, лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, чётности, странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

4.1. Закон сохранения энергии

Если , , , - полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc 2 и кинетической энергии E , поэтому:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции ). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c 2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической , если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической .

Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции . Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями , поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

4.2. Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , - векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

4.3. Закон сохранения момента импульса

Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов (спинов) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов).

4.4. Другие законы сохранения

при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд - алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остаётся неизменной.
при ядерных реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число).
при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется чётность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Чётность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями .
при ядерных реакциях, обусловленных сильными взаимодействиями, сохраняется изотопический спин. Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют.

5. Виды ядерных реакций

Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

5.1. Деление ядра

Деле́ние ядра́ - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

5.2. Термоядерный синтез

При нормальной температуре слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра. Термоядерная реакция - это экзоэнергетическая реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (10 7 К).

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде

+ энергия (17,6 МэВ) .

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для термоядерного синтеза .

Термоядерная реакция используется в термоядерном оружии и находится на стадии исследований для возможного применения в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

5.3. Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными , а явление испускания нуклонов в этих реакциях - ядерным фотоэффектом .

5.4. Другие

6. Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть, слева записывается сумма исходных частиц, справа - сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B , где А - ядро мишени, а - бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … - испускаемые частицы (в том числе ядра), В - остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне - более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n , γ)-реакции.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы

Где - ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит, как

скачать .

Первая ядерная реакция на земле произошла в Африке около двух миллиардов лет назад. Ученые предполагают, что тогда в ходе геологических процессов была создана своего рода атомная установка мощностью 100 киловатт, которая пульсировала каждые три часа в течение 150 тыс. лет.

Следы существования этих природных ядерных реакторов были обнаружены в районе Окло африканского государства Габон в 1972 году. Ученые обнаружили, что уран в урановой руде, обнаруженной там, подвергался цепной ядерной реакции. В результате высвобождалось большое количество энергии в виде тепла – аналогичный принцип используется в современных ядерных реакторах.

При этом остается загадкой, почему ядерная реакция в Африке не привела к взрыву. На атомных электростанциях используется замедлитель ядерных реакций. Ученые считают, что в природных условиях таким замедлителям реакции стала вода горных ручьев. Вода замедляет движение нейтронов и таким образом приостанавливает ядерную реакцию. Реактор на какое-то время охлаждается, но потом под влиянием энергии нейтронов вода нагревается вновь, закипает, и ядерная реакция продолжается.

Алекс Мешик и его коллеги из университета Вашингтона в Сент-Луисе, Миссури, обнаружили большое ксенона – продукта расщепления атомного ядра – в минерале, представляющем собой фосфат алюминия, возле скал Окло. Ксенон – это газ, но во время охлаждения природного ядерного реактора часть его сохранилась в застывшем виде в фосфате алюминия. Ученые измеряют количество ксенона с тем, чтобы вычислить, насколько долгими были периоды нагревания и охлаждения ядерного реактора.

Современные ядерные реакторы производят радиоактивный ксенон и сходный с ним инертный газ криптон, но оба этих газа улетучиваются в атмосферу. Только в природных условиях эти газы удерживаются внутри кристаллической структуры фосфата. "Может, это поможет нам научиться удерживать эти газы в ядерных реакторах", – говорит Алекс Мешик.

Ядерные реакции постоянно происходят на звездах. Более того, термоядерные реакции - одна из разновидностей ядерных реакций - основной источник энергии на звездах. Однако ядерные реакции в звездах проходят медленнее, чем мы думаем, и, как следствие, сами звезды, а также галактики и вся вселенная чуть старше, чем принято считать – это вытекает из последних астрофизических экспериментов в итальянских горах Гран Сассо.

Большая часть энергии, испускаемой нашими звездами – это энергия, выделяемая при происходящей внутри них реакции слияния четырех ядер водорода с образованием ядер лития. А получаемые ядра лития вовлекаются в так называемый углерод-азот-кислородный цикл. Скорость протекания этого цикла определяется самой медленной из участвующих в нем реакций, той, которая приводит к образованию ядер кислорода в результате слияния ядер азота с протоном. Добиться такого слияния искусственным образом нетрудно – считают ученые. Трудность состоит в том, чтобы сделать это на том же энергетическом уровне, что имеет место в звездах. А уровень этот относительно низок, он обеспечивает всего несколько реакций в день, благодаря чему и существует жизнь, по крайней мере, на нашей планете – иначе (при быстром взаимодействии протона с азотом) Солнце уже давно израсходовало бы свою энергию, оставив всю систему в холодной мгле. В модельных подземных экспериментах выяснилось, что углерод-азот-кислородный цикл проходит в два раза медленнее, чем предполагалось, следовательно возраст самых старых звездных скоплений, по которому судят о возрасте вселенной, увеличивается. И если по прежним подсчетам вселенной было 13 миллиардов лет, то теперь ей никак не меньше 14 миллиардов – заявляет директор лабораторий Гран Сассо Эуженио Коччиа (Eugenio Coccia).

Ядерная реакция (ЯР) - процесс, в котором ядро атома изменяется путем дробления или соединения с ядром другого атома. Таким образом, она должна приводить к превращению по меньшей мере одного нуклида в другой. Иногда, если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей без изменения природы какого-либо нуклида, процесс относится к ядерному рассеянию. Пожалуй, наиболее заметными являются реакции легких элементов, которые влияют на производство энергии звезд и Солнца. Естественные реакции происходят также во взаимодействии космических лучей с веществом.

Природный ядерный реактор

Наиболее заметной контролируемой человеком реакцией является реакция деления, которая происходит в Это устройства для инициирования и контроля ядерной цепной реакции. Но существуют не только искусственные реакторы. Первый природный ядерный реактор в мире был обнаружен в 1972 году в Окло в Габоне французским физиком Фрэнсисом Перрином.

Условия, в которых могла вырабатываться природная энергия ядерной реакции, были предсказаны в 1956 году Полом Кадзуо Курода. Единственное известное место в мире состоит из 16 участков, в которых происходили самоподдерживающиеся реакции подобного типа. Как полагают, это было приблизительно 1,7 миллиарда лет назад и продолжалось в течение нескольких сотен тысяч лет, что было подтверждено наличием изотопов ксенона (газообразного продукта деления) и различным отношением U-235/U-238 (обогащение природного урана).

Ядерное деление

График энергии связи предполагает, что нуклиды с массой больше 130 а.е.м. должны спонтанно отделиться друг от друга, чтобы сформировать более легкие и стабильные нуклиды. Экспериментально ученые установили, что спонтанные реакции деления элементов ядерной реакции происходят только для самых тяжелых нуклидов с массовым числом 230 или более. Даже если это осуществляется, то очень медленно. Период полураспада для спонтанного деления 238 U, например, составляет 10-16 лет, или примерно в два миллиона раз дольше, чем возраст нашей планеты! Облучением образцов тяжелых нуклидов медленными тепловыми нейтронами можно индуцировать реакции деления. Например, когда 235 U поглощает тепловой нейтрон, он разбивается на две частицы с неравномерной массой и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона.

Поглощение нейтрона 238 U индуцирует колебания в ядре, которые деформируют его до тех пор, пока он не расколется на фрагменты так, как капля жидкости может разлететься на более мелкие капельки. Более чем 370 дочерних нуклидов с атомными массами между 72 и 161 а.е.м. образуются при делении на тепловом нейтроне 235U, включая два продукта, показанных ниже.

Изотопы ядерной реакции, такие как уран, подвергаются индуцированному делению. Но единственный природный изотоп 235 U присутствует в изобилии всего 0,72 %. Индуцированное деление этого изотопа высвобождает в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов килоджоулей на грамм 235 U. Притяжение ядерного деления как источника энергии можно понять, сравнивая это значение с 50 кДж/г, высвобождающимися, когда сжигается природный газ.

Первый ядерный реактор

Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и сотрудниками под футбольным стадионом ввели его в эксплуатацию 2 декабря 1942 года. Этот реактор, который производил несколько киловатт энергии, состоял из кучи графитовых блоков весом 385 тонн, уложенных слоями вокруг кубической решетки из 40 тонн урана и оксида урана. Спонтанное деление 238 U или 235 U в этом реакторе вызывало очень малое количество нейтронов. Но достаточно было урана, так что один из этих нейтронов индуцировал 235 U, тем самым высвободив в среднем 2,5 нейтрона, которые катализировали деление дополнительных ядер 235 U в цепной реакции (ядерные реакции).

Количество расщепляющегося материала, необходимого для поддержания цепной реакции, называется Зеленые стрелки показывают раскол ядра урана в двух осколках деления, испускающих новые нейтроны. Некоторые из этих нейтронов могут вызывать новые реакции деления (черные стрелки). Некоторые из нейтронов могут быть потеряны в других процессах (синие стрелки). Красные стрелки показывают задержанные нейтроны, которые поступают позже из радиоактивных осколков деления и могут вызывать новые реакции деления.

Обозначение ядерных реакций

Рассмотрим основные свойства атомов, включая атомное число и атомную массу. Атомный номер представляет собой число протонов в ядре атома, а изотопы имеют одинаковый атомный номер, но различаются по числу нейтронов. Если начальные ядра обозначаются а и b, а ядра произведения обозначаются с и d, то реакция может быть представлена уравнением, которое вы можете видеть ниже.

Какие ядерные реакции вместо использования полных уравнений сокращаются для легких частиц? Во многих ситуациях для описания таких процессов используется компактная форма: a (b, c) d эквивалентно a + b, производящему c + d. Легкие частицы часто сокращаются: обычно p означает протон, n - нейтрон, d - дейтрон, α - альфа-частицу, или гелий-4, β - бета-частицу, или электрон, γ - гамма-фотон и т. д.

Виды ядерных реакций

Хотя число возможных таких реакций огромно, их можно сортировать по типам. Большая часть таких реакций сопровождается гамма-излучением. Вот некоторые примеры:

Упругое рассеяние. Происходит, когда энергия между ядром-мишенью и падающей частицей не передается.
Неупругое рассеяние. Происходит, когда энергия передается. Разность кинетических энергий сохраняется в возбужденном нуклиде.
Реакции захвата. Как заряженные, так и нейтральные частицы могут захватываться ядрами. Это сопровождается излучением ɣ-лучей. Частицы ядерных реакций при реакции нейтронного захвата называются радиоактивными нуклидами (индуцированная радиоактивность).
Реакции передачи. Поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц, называется реакцией переноса.
Реакции деления. Ядерное деление является реакцией, в которой ядро атома расщепляется на более мелкие части (более легкие ядра). Процесс деления часто приводит к образованию свободных нейтронов и фотонов (в виде гамма-лучей) и высвобождает большое количество энергии.
Реакции слияния. Происходят, когда два или более атомных ядра сталкиваются с очень высокой скоростью и объединяются, образуя новый тип атомного ядра. Частицы ядерных реакций слияния дейтерия и трития особенно интересны из-за их потенциала обеспечения энергии в будущем.
Реакции расщепления. Происходят, когда ядро поражается частицей с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько мелких фрагментов или разбить ее на многие фрагменты.
Реакции перегруппировки. Это поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц:

197Au (p, d) 196mAu
4He (a, p) 7Li
27Al (a, n) 30P
54Fe (a, d) 58Co
54Fe (a, 2 n) 56Ni
54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Различные реакции перегруппировки меняют количество нейтронов и число протонов.

Ядерный распад

Ядерные реакции происходят, когда нестабильный атом теряет энергию за счет излучения. Он является случайным процессом на уровне одиночных атомов, поскольку в соответствии с квантовой теорией невозможно предсказать, когда отдельный атом будет распадаться.

Существует много видов радиоактивного распада:

Альфа-радиоактивность. Частицы Alpha состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе с частицей, идентичной ядру гелия. Из-за очень большой массы и ее заряда он сильно ионизирует материал и имеет очень короткий диапазон.
Бета-радиоактивность. Она представляет собой высокоэнергетические высокоскоростные позитроны или электроны, излучаемые некоторыми типами радиоактивных ядер, таких как калий-40. Бета-частицы имеют больший диапазон проникновения, чем альфа-частицы, но все же намного меньше, чем гамма-лучи. Выброшенные бета-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, также известного как бета-лучи цепной ядерной реакции. Получение бета-частиц называется бета-распадом.
Гамма-радиоактивность. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение очень высокой частоты и, следовательно, являются фотонами высокой энергии. Они образуются при распаде ядер при их переходе из состояния высокой энергии в более низкое состояние, известное как гамма-распад. Большая часть ядерных реакций сопровождается гамма-излучением.
Нейтронная эмиссия. Нейтронная эмиссия представляет собой тип радиоактивного распада ядер, содержащих избыточные нейтроны (особенно продукты деления), в которых нейтрон просто выбрасывается из ядра. Этот тип излучения играет ключевую роль в управлении ядерными реакторами, потому что эти нейтроны являются задержанными.

Энергетика

Q-значение энергии ядерной реакции - это количество энергии, выделяемой или поглощенной во время реакции. Называется или Q-значением реакции. Эта энергия выражается как разница между кинетической энергией продукта и величиной реагента.

Общий вид реакции: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), где x и X являются реагентами, а y и Y - продуктом реакции, которые могут определить энергию ядерной реакции, Q - энергетический баланс.

Q-значение ЯР означает энергию, высвобождаемую или поглощенную в реакции. Она также называется энергетическим балансом ЯР, который может быть положительным или отрицательным в зависимости от характера.

Если Q-значение положительно, реакция будет экзотермической, ее также называют экзоэргической. Она высвобождает энергию. Если Q-значение отрицательно, реакция является эндоэргической, или эндотермической. Такие реакции осуществляются за счет поглощения энергии.

В ядерной физике подобные реакции определяются Q-значением, как разность между суммой масс исходных реагентов и конечных продуктов. Измеряется в энергетических единицах МэВ. Рассмотрим типичную реакцию, в которой снаряд a и цель A уступают двум продуктам B и b.

Это может быть выражено так: а + A → B + B , или даже в более компактной записи - А (а, б) B. Виды энергий в ядерной реакции и значение этой реакции определяется по формуле:

Q = c 2,

что совпадает с избыточной кинетической энергией конечных продуктов:

Q = T final - T начальный

Для реакций, в которых наблюдается увеличение кинетической энергии продуктов, Q - положительно. Положительные Q-реакции называются экзотермическими (или экзогенными).

Существует чистое выделение энергии, так как кинетическая энергия конечного состояния больше, чем в начальном состоянии. Для реакций, в которых наблюдается уменьшение кинетической энергии продуктов, Q - отрицательно.

Период полураспада радиоактивного вещества является характерной константой. Он измеряет время, необходимое для того, чтобы определенное количество вещества уменьшилось наполовину вследствие распада и, следовательно, излучения.

Археологи и геологи используют период полураспада до настоящего времени в отношении органических объектов в процессе, известном как датирование углерода. Во время бета-распада углерод 14 превращается в азот 14. Во время смерти организмы перестают производить углерод 14. Поскольку период полураспада является постоянным, отношение углерода 14 к азоту 14 обеспечивает измерение возраста образца.

В медицинской области источниками энергии ядерных реакций являются радиоактивные изотопы Кобальта 60, который использовался для лучевой терапии по сокращению опухолей, которые впоследствии будут удалены хирургическим путем, или для уничтожения раковых клеток в неоперабельных опухолях. Когда он распадается на стабильный никель, то испускает две относительно высоких энергии - гамма-излучения. Сегодня он заменяется системами лучевой терапии электронным пучком.

Период полураспада изотопов от некоторых образцов:

кислород 16 - бесконечный;
уран 238 - 4 460 000 000 лет;
уран 235 - 713 000 000 лет;
углерод 14 - 5 730 лет;
кобальт 60 - 5,27 года;
серебро 94 - 0,42 секунды.

Радиоуглеродное датирование

При очень устойчивой скорости неустойчивый углерод 14 постепенно распадается на углерод 12. Соотношение этих изотопов углерода показывает возраст некоторых самых старых жителей Земли.

Радиоуглеродное датирование - это метод, который обеспечивает объективные оценки возраста материалов на основе углерода. Возраст можно оценить, измеряя количество углерода 14, присутствующего в образце, и сравнивая его с международным стандартным эталоном.

Влияние метода радиоуглеродного датирования в современном мире сделало его одним из самых значительных открытий XX века. Растения и животные ассимилируют углерод 14 из углекислого газа на протяжении всей жизни. Когда они умирают, то перестают обменивать углерод с биосферой, а содержание углерода 14 в них начинает снижаться со скоростью, определяемой законом радиоактивного распада.

Радиоуглеродное датирование - по существу метод, предназначенный для измерения остаточной радиоактивности. Зная, сколько углерода 14 осталось в образце, можно узнать возраст организма, когда он умер. Следует отметить, что результаты радиоуглеродного датирования показывают, когда организм был жив.

Основные методы измерения радиоуглерода

Существуют три основных метода, используемых для измерения содержания углерода 14 в любом заданном пропорциональном расчете пробоотборника, жидком сцинтилляционном счетчике и масс-спектрометрии ускорителя.

Пропорциональный счет газа представляет собой обычную радиометрическую методику датирования, которая учитывает бета-частицы, испускаемые данным образцом. Бета-частицы являются продуктами распада радиоуглерода. В этом методе образец углерода сначала преобразуется в газообразный диоксид углерода перед измерением в газовых пропорциональных счетчиках.

Сцинтилляционный подсчет жидкостей - еще один метод радиоуглеродного датирования, который был популярен в 1960-х годах. В этом методе образец находится в жидкой форме, и добавляется сцинтиллятор. Этот сцинтиллятор создает вспышку света, когда он взаимодействует с бета-частицей. Пробирку с образцом пропускают между двумя фотоумножителями, и когда оба устройства регистрируют вспышку света, производится подсчет.

Преимущества ядерной науки

Законы ядерных реакций используют в широком диапазоне отраслей науки и техники, таких как медицина, энергетика, геология, космос и защита окружающей среды. Ядерная медицина и радиология - это медицинские методы, которые включают использование радиации или радиоактивности для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. В то время как радиология использовалась почти столетие, термин «ядерная медицина» начал применяться около 50 лет назад.

Ядерная энергия используется в течение десятилетий и является одним из самых быстрорастущих энергетических вариантов для стран, стремящихся к энергетической безопасности и энергосберегающим решениям с низким уровнем выбросов.

Археологи используют широкий спектр ядерных методов для определения возраста предметов. Артефакты, такие как Туринская плащаница, Свитки Мертвого моря и Корона Карла Великого, могут быть датированы, и их подлинность проверена с использованием ядерных методов.

Ядерные методы используются в сельскохозяйственных сообществах для борьбы с болезнями. Радиоактивные источники широко применяются в горнодобывающей промышленности. Например, они используются при неразрушающих испытаниях закупорки трубопроводов и сварных швов, в измерении плотности пробиваемого материала.

Ядерная наука играет ценную роль, помогая нам понять историю нашей окружающей среды.

1. Реакции возможны при наличии высоких температур и высоких электромагнитных полях

2. Прохождение процессов за счёт нейтронов, не требующих больших магнитных полей и высоких температур

Нуклеосинтез. Явление нуклеосинтеза исследовал учёный Бербидж .

В момент образования Вселенной существовала смесь электронных частиц .

За счёт взаимодействия протонов и нейтронов образовались водород и гелий , при чём в следующих пропорциях: 2/3 – Н, 1/3 – Не.

Все остальные элементы образовались из водорода.

Солнце состоит из гелия и водорода (10-20 млн. ºС).

Существуют более горячие звёзды (более 150 млн. ºС). В глубинах этих планет образовались углерод, кислород, азот, сера и магний .

Другие элементы возникли при взрыве сверхновых звёзд (уран и более тяжелые).

Во всей Вселенной наиболее распространены гелий и водород (3/4 водорода и 1/4 гелия).

○ Самые распространённые элементы на Земле:

§7 «Корпускулярно-волновая (двойственная) теория»

В 1900 г. М. Планк выдвинул теорию: абсолютно чёрное тело тоже излучает энергию, но излучает её порциями (квантами).

● Квант электронно-магнитного поля – это фотон .

○ Волновая природа фотона:

- дифракция (отклонение света от прямолинейного направления, или способность огибать препятствия)

- интерференция (взаимодействие волн, при котором волны могут накладываться друг на друга и либо усиливать, либо гасить друг друга)

1.Усиливаются

2.Уменьшается интенсивность

3.Погашаются

○ Корпускулярная природа фотона:

● Фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Столетов изучил законы фотоэлемента.

Объяснение фотоэффекта было дано Эйнштейном в рамках корпускулярной теории.

Фотон, ударяясь об электрон, передаёт часть своей энергии.

● Эффект Комптона – если направить на вещество рентгеновское излучение, то оно рассеивается на электроны вещества. Это рассеянное излучение будет обладать большей длинной волны, чем падающее. Разница зависит от угла рассеяния.

E = hυ

h – планка

υ – частота излучения

●Фотон – волновой пакет .

Математически дуализм «волна – частица» выражается в уравнении Л. де Бройля :

λ = h / (m · v ) = h / P

P – импульс

Этот дуализм – универсальная теория, её можно распределять на все виды материи.

○ Примеры:

Электрон

m e = 9,1 · 10 -28 г v ~ 10 8 см/с λ ~ 10 -8 см

Летящий мячик

m = 50 г v ~ 25 см/с λ ~ 10 -32 см

1) Принцип неопределённости [В. Гейзенберг] – невозможно одновременно точно определить координату частицы и её импульс.

∆q · ∆ p ≥ h / 2

∆q – неопределённость любой координаты

∆p – неопределённость импульса

∆E · ∆ t ≥ h / 2

∆E – энергия частицы

∆t – неопределённость времени

2) Принцип дополнительности [Н. Бор] – получение экспериментальной информации об одних величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первому.

3) Принцип причинности (следствие принципа неопределённости) – принцип классической физики. Имеется причинно-следственная связь между явлениями природы. Для объектов микромира принцип причинности не применим.

4) Принцип тождественности – невозможно экспериментально изучить одинаковые микрочастицы.

5) Принцип соответствия – всякая более общая теория, являясь развитием классической теории, не отвергает её полностью, а указывает границы её применения.

6) Принцип суперпозиции – результирующий эффект – это сумма эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности.

● Уравнение Шредингера – основное уравнение квантовой механики.

● Волновая функция [Ψ] – это функция одновременно координат и времени.

Е = Е кин. + U

U – потенциальная энергия

E кин . = (m · v 2 ) / 2 = p 2 / 2m

E = p 2 / 2m + U

E Ψ = ( p 2 / 2 m + U ) · Ψ

(Ψ 2 · d · v ) показывает где и в каком состоянии находится соответствующая частица.

Как и химические реакции, ядерные реакции могут быть эндотермическим и экзотермическим .

Ядерные реакции подразделяются на реакции распада и реакции синтеза. Особым типом ядерной реакции является деление ядра . Сроки распад ядра и деление ядра означают совершенно разные типы реакций [ ].

1. История

Первую искусственно вызванной ядерной реакции наблюдал в году Эрнест Резерфорд , облучая альфа-частицами азот . Реакция проходила по схеме

2. Законы сохранения при ядерных реакциях

Во время ядерных реакций выполняются общие законы сохранения энергии , импульса , момента импульса и электрического заряда .

Кроме того, существует ряд особых законов сохранения, присущих ядерной взаимодействия, например, закон сохранения барионного заряда.

3. Энергетический выход ядерной реакции

Если сумма масс покоя частиц в реакции больше суммы масс покоя частиц после реакции, то такая реакция происходит с выделением энергии. Такую энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции. Энергетический выход ядерной реакции вычисляется по формуле ΔE = Δmc 2, где Δm - дефект массы , c - скорость света .

4. Виды ядерных реакций

4.1. Ядерные реакции синтеза

Во время ядерных реакций синтеза из легких ядер элементов образуются новые, более тяжелые ядра.

Обычно реакции синтеза возможны только в условиях, когда ядра имеют большую кинетическую энергию, поскольку силы электростатического отталкивания препятствуют сближению одинаково заряженных ядер, создавая так называемый кулоновский барьер.

Искусственным путем этого удается достичь с помощью ускорителей заряженных частиц , в которых ионы, протоны или α-частицы ускоряют электрическим полем, или термоядерных реакторов, где ионы вещества приобретают кинетической энергии за счет теплового движения. В последнем случае речь ведут о реакции термоядерного синтеза.

4.1.1. Ядерный синтез в природе

В природе реакции синтеза начались в первые минуты после Большого взрыва . Во время первичного нуклеосинтеза из протонов образовались лишь некоторые легкие ядра (дейтерия , гелия , лития).
Сейчас ядерные реакции происходят в ядрах звезд, например, в Солнце . Основным процессом является образование ядра гелия из четырех протонов, что может происходить или в протон-протонном цепочке , или в цикле Бете-Вайцзекера .

В звездах, масса которых превышает половину M ☉ , могут образовываться и другие, более тяжелые элементы. Этот процесс начинается с образования ядер углерода в тройной α-реакции . Образующиеся ядра взаимодействуют с протонами и α-частицами и, таким образом, образуются химические элементы до железного пика.

Образование тяжелых ядер (от железа в Висмут) происходит в оболочках достаточно массивных звезд на стадии красного гиганта основном благодаря s-процесса и, частично, благодаря p-процесса . Наважчи (нестабильные) ядра образуются во время вспышек сверхновых .

4.2. Ядерные реакции распада

Реакциями распада обусловлено альфа-и бета-радиоактивность. При альфа-распаде из ядра вылетает альфа-частица 4 He, а массовое число и зарядовое числа ядра меняются на 4 и 2 соответственно. При бета-распаде из ядра вылетает электрон или позитрон, массовое число ядра не меняется, а зарядовое увеличивается или уменьшается на 1. Оба типа распада происходят спонтанно.

4.3. Деление ядра

Небольшое количество изотопов способна к делению - реакции при которой ядро делится на две большие части. Деление ядра может происходить как спонтанно, так и вынужденно - под воздействием других частиц, в основном - нейтронов.

Года было выявлено, что ядра урана-235 способны не только к спонтанному делению (на два легких ядра) с выделением ~ 200 МэВ энергии и излучением двух-трех нейтронов, но и к вынужденного деления, инициируемое нейтронами. Учитывая, что в результате такого разделения тоже излучаются нейтроны, которые могут вызвать новые реакции вынужденного деления соседних ядер урана, стала очевидной возможность цепной ядерной реакции. Такая реакция не происходит в природе лишь потому, что природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238, а в реакции деления способен только уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%.

Механизм ядерной реакции деления заключается в следующем. Ядерные силы через взаимодействие обменными виртуальными частицами (в большинстве случаев происходит пион -нуклонного взаимодействие), имеют нецентральных характер. Это означает, что нуклоны не могут взаимодействовать одновременно со всеми нуклонами в ядре, особенно в багатонуклонних ядрах. При большом количестве нуклонов в ядре это вызывает асимметрию плотности ядерных сил и дальнейшей асимметрию нуклонного связи, а следовательно, и асимметрию энергии по объему ядра. Ядро приобретает форму, которая существенно отличается от шарообразной. В таком случае электростатическое взаимодействие между протонами может по величине энергии приближаться к сильного взаимодействия.

Таким образом, вследствие асимметрии, энергетический барьер деления преодолевается, и ядро распадается на более легкие ядра, асимметричные по массе.

Иногда ядро может туннелировать в состояние с меньшей энергией.

5. Ядерные реакции в жизни человека

5.1. Атомная бомба

Цепную реакцию деления атомных ядер в ХХ веке стали применять в атомных бомбах. Из-за того, что для интенсивной ядерной реакции необходимо иметь критическую массу (массу, необходимую для развития цепной реакции), то для осуществления атомного взрыва несколько частей с массами меньше критической, соединяются, образуется сверхкритическая масса и в ней возникает цепная реакция деления, сопровождающаяся высвобождением большого количества энергии - происходит атомный взрыв.

5.2. Ядерный реактор

Для преобразования тепловой энергии распада ядер в электрическую энергию используют ядерный реактор. Как топливо в реакторе применяется смесь изотопов урана-235 и урана-238 или плутоний-239. При попадании быстрых нейтронов к ядру атома урана-238 происходит его превращение в плутоний -239 и его последующий распад с высвобождением энергии. Процесс может быть циклическим, однако для этого необходимы реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Сейчас же как основной компонент в реакторах применяется нуклид урана-235. Для его взаимодействия с быстрыми нейтронами необходимо их замедление. Как замедлитель применяют:

По типу используемой воды в реакторах, D 2 O или H 2 O, реакторы делятся на тяжеловодных и легководяни соответственно. В тяжеловодных реакторах в качестве горючего используется нуклид урана-238, в легководяних - Уран-235. Для управления реакцией распада и ее прекращения применяют регулировочные стержни, содержащие изотопы бора или кадмия . Энергию, которая выделяется во время цепной реакции деления, выводит теплоноситель. Поэтому он нагревается, и при попадании в воду он нагревает ее, превращая в пар (часто теплоносителем является сама вода). Пара обращает паровую турбину, которая вращает ротор генератора переменного тока.

Это незавершенная статья физики .
Вы можете проекту,