5.10.4. Ядерные реакции и их основные типы.
Процесс превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом называется ядерной реакцией.
В любой ядерной реакции выполняются основные законы (закон сохранения заряда, массового числа, импульса).
Важную роль в объяснении механизма ядерных реакций имело предположение Бора о том, что большинство ядерных реакций происходит в две стадии
.
10.11
На первом этапе образуется промежуточное ядро, которое является радиоактивным и на втором этапе оно испытывает распад. Например, первая реакция, наблюдаемая Резерфордом, протекает по схеме
.
10.12
Наиболее интересными с этой точки зрения оказались реакции с участием нейтронов. Для того, чтобы заряженная частица проникла в ядро она должна иметь весьма большую энергию, так как она испытывает кулоновское отталкивание. И поэтому необходимо дорогостоящие ускорители заряженных частиц.
Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому может свободно проникать в ядро. Более того, оказалось, что наиболее эффективными оказываются именно медленные нейтроны, так как они могут относительно долго находиться вблизи ядра.
Ядерные реакции с участием нейтронов не только сыграли огромную роль в развитии физики, но и привели к появлению новых источников энергии.
При облучении нейтронами урана было установлено, что в уране образуются элементы средней части таблицы элементов Менделеева – барий и лантан. Трудами многих ученых (Ферми, Ганн, Штрассман, Мейтнер, Курчатов, Петржак и др.) было доказано, что появление этих элементов связано с делением ядер урана под действием медленных нейтронов.
Замечательной особенностью данной реакции является тот факт, что в процессе деления ядер урана выделяется несколько (2 – 3) нейтрона, которые в свою очередь могут вызвать деление других ядер. Это связано с тем, что осколки, образующиеся при делении, оказываются пересыщенными нейтронами и выбрасывают их.
Наличие нейтронов, образующихся в процессе деления, приводит к тому, что реакция деления может поддерживать сама себя и поэтому называется цепной реакцией деления.
Протекание цепной реакции определяется коэффициентом размножения нейтронов, который определяется как отношение числа нейтронов до деления к числу нейтронов после деления.
На величину коэффициента размножения влияет ряд факторов:
- деление ядер урана, приводит к увеличению коэффициента размножения;
- захват нейтронов
без деления:
- вылет нейтронов за пределы вещества, приводит к тому, что цепная реакция деления может возникнуть только в том случае, если масса урана превышает некоторую критическую массу;
- захват нейтронов продуктами деления.
При значениях
реакция идет в управляемом режиме, при
происходит взрыв.
Впервые управляемая цепная реакция была осуществлена в США в 1942 году (Э.Ферми), а в СССР в 1946 году (И.В.Курчатов).
При делении одного ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ. Поэтому управляемая цепная реакция используется для получения электроэнергии.
Любопытно, что еще в 1956 году Н.Бор предупреждал, что мир погибнет не от атомной войны, а от мирного применения атомной энергии.
В настоящее время особое внимание
уделяется реакторам размножителям
(бридерам) в которых при сжигании
вырабатывается вторичное топливо, по
следующей схеме. При поглощении быстрого
нейтрона ядро
испытывает превращение
.
10.13
Ядро
(не существующее в природе) испытывает
-
распад по схеме
.
10.14
Ядро
также радиоактивно и распадается по
схеме
.
10.15
имеет сравнительно большой период
полураспада (24000 лет) и может делиться
под действием медленных нейтронов. При
сжигании 1 кг
можно получить до 1,5 кг плутония.
Неиссякаемым источником энергии может
стать реакция синтеза атомных ядер –
термоядерные реакции. Поскольку ядра
имеют положительный заряд, то испытывают
кулоновское отталкивание. Для того,
чтобы два ядра сблизились на расстояние
на котором начинают действовать ядерные
силы (
)
они должны двигаться с огромной скоростью,
поэтому эти реакции могут идти только
при огромных температурах
и называются термоядерными реакциями.
Примеры таких реакций
.
10.16
Эти реакции обладают тем свойством, что в них энергия, выделяющаяся на одну частицу гораздо больше, чем в реакции деления (3,5 Мэв против 0,9 Мэв при делении). Особенностью данных реакций является и отсутствие радиоактивных отходов, которые в огромных количествах образуются в атомных реакторах.
В настоящее время термоядерные реакции могут осуществляться только в неуправляемом режиме (водородная бомба).