3.8. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. При этом взаимодействующие частицы должны сблизиться до расстояний порядка м.

Ядерные реакции символически записывают в виде:

.

В качестве частиц могут быть нейтрон , протон , ядро тяжелого водорода – дейтрон, -частицы, -кванты. При этом реакции идут как с выделением, так и с поглощением тепла.

Реакции с медленными частицами

Реакции с медленными частицами идут по схеме:

,

где – компаунд-ядро – возбужденное ядро , поглотившее частицу .

Если , то такой процесс называют рассеянием частицы на ядре . Если при этом энергии частиц равны, т.е. , то такое рассеяние называется упругим рассеянием. Если же , то такое рассеяние называется неупругим рассеянием.

Но рассеяние – не ядерная реакция. Ядерная реакция будет тогда, когда частица не тождественна частице .

Реакции с быстрыми нейтронами

Реакции с быстрыми нейтронами или дейтронами происходят без образования промежуточного ядра. Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами, так как нейтроны не имеют заряда и, следовательно, они могут обладать меньшей энергией. Но если меньше энергия нейтрона, то меньше и его скорость пролета вблизи ядра. Но при этом, соответственно, больше время нахождения нейтрона около ядра и, следовательно, больше вероятность захвата нейтрона ядром.

Следовательно, чем меньше энергия нейтрона, тем больше вероятность ядерной реакции. При определенной энергии нейтрона имеет место резонансное его поглощение. В частности, для ядра эта резонансная энергия нейтрона равна эВ.

Здесь имеет место процесс, аналогичный поглощению фотонов. Если энергия фотона соответствует разности энергий разрешенных уровней, то происходит интенсивное поглощение фотонов данной энергии.

Ядро также обладает разрешенными энергетическими уровнями и, следовательно, энергия нейтрона эВ соответствует разности уровней возбужденного ядра.

Деление тяжелых ядер

В 1938 году немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами происходит деление ядер и образуются элементы из середины периодической таблицы Меделеева. Причем уран делится на осколки, массы которых относятся как .

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше для средних ядер, чем для тяжелых. Поэтому данная реакция должна идти с выделением энергии. Но самым важным оказалось то, что при делении освобождаются еще несколько нейтронов. Дело в том, что, как уже отмечалось, у тяжелых ядер относительное число нейтронов больше, чем у средних ядер. Следовательно, осколки ядра переобогащены нейтронами, поэтому осколки испытывают ядерные превращения, испуская нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление новых ядер . В среднем на каждый акт деления приходится выделившихся нейтронов.

Кроме при облучении нейтронами делятся плутоний – , торий – и другие элементы.

Ядра и делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными или тепловыми с энергией не меньше МэВ. При меньших энергиях происходит просто захват нейтрона.

Возникающие при делении ядер , и нейтроны делают возможным осуществление цепной реакции.

Пусть произошло деление только одного ядра. При этом вылетело нейтронов. Эти нейтронов вызвали деление ядер. При этом будет испущено нейтронов. Они вызовут деление ядер, которые испустят нейтронов и т.д. Получается геометрическая прогрессия. Но это идеальный случай. В реальной ситуации часть нейтронов покинет зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей и выйдут из игры.

Если даже взять чистый уран , очищенный от (в природной руде урана содержится , а ‑ ), то и здесь необходима некоторая критическая масса, чтобы пошла реакция деления.

По расчетам для критическая масса составляет около кг, критические размеры – шар диаметром около см.

Ядерное оружие и ядерная энергетика

Т аким образом, если масса урана превысит критическую массу, то начнется цепная реакция с выделением большого количества энергии. Это обстоятельство используют для создания атомной бомбы (рис.20).

Две полукритические массы или находятся на безопасном расстоянии друг от друга. Прочность оболочки рассчитана на взрыв обычной бомбы и не разрушается при этом. При взрыве обычной бомбы происходит очень быстрое сближение полукритических масс , их результирующая масса превышает критическую и начинается цепная реакция.

Высвобождается огромная энергия при цепной реакции деления. Температура продуктов взрыва превышает миллион градусов. Весь заряд мгновенно испаряется, и большая часть ядерного горючего разлетается в стороны, не претерпев деления.

В природном уране существует преобладание изотопа ( ) над изотопом , которого в руде всего . Поэтому в природном уране реакция деления не идет.

Первые атомные котлы начали строить в США приблизительно в 1942-1944 годах. Атомный котел служит для получения ядерного горючего – плутония. Дело в том, что экономически выгоднее получать плутоний для использования в плутониевых бомбах, чем производить химическое разделение изотопов и . Первую атомную бомбу взорвали США в 1945 г.

Затем появились исследовательские реакторы для получения потока быстрых нейтронов. И только потом появились энергетические атомные реакторы, служащие, например, для получения электрической энергии.

Первая атомная электростанция в СССР была пущена в 1954 г. Потом появились мобильные атомные электростанции, атомные двигатели на транспорте (атомные ледоколы). Позже появились атомные электростанции, непосредственно преобразующие атомную энергию в электрическую путем использования полупроводников.

Кроме того, необходимо отметить применение так назы-ваемых «меченых атомов» в технике, в сельском хозяйстве, медицине и т.д.