4.4 Ядерні реакції

Взаємодія нуклонів в ядрі називається сильна ядерна взаємодія.

Сильна взаємодія – це одна з фундаментальних взаємодій в природі. Сили взаємодії нуклонів в ядрі інакше називаються ядерними силами. Про них відомо:

• ядерні сили короткодіючі, вони проявляються на відстанях ;

• взаємодія нуклонів не залежить від заряду;

• сили не є центральними;

• мають властивість насичення, кожний нуклон взаємодіє з обмеженим числом нуклонів.

Ядра атомів хімічних елементів можуть перетворюватись і, таким чином, атом одного хімічного елемента перетворюється в атом іншого.

Ядерна реакція – процес сильної взаємодії ядра з елементарною частинкою або іншим ядром, що приводить до перетворення ядра.

Вперше ядерну реакцію провів Резерфорд в 1919 р

, в скороченому вигляді .

При ядерних реакціях зберігається електричний заряд і число нуклонів.

Алгебраїчна сума зарядів до реакції дорівнює алгебраїчній сумі зарядів після реакції.

Кількість нуклонів до реакції дорівнює кількості нуклонів після реакції.

В 1932 р. Кокрофт і Уолтон провели ядерну реакцію .

Радіовуглецевий аналіз.У верхніх шарах атмосфері Землі завдяки космічному випромінюванню постійно протікає ядерна реакція. Ізотоп вуглецюрадіоактивний. Його період напіврозпаду складає 5730 р. Розпадається він за схемою. Вуглець, що є однією з основних складових біологічних організмів, присутній в земній атмосфері у вигляді стабільних ізотопів(98,89%) і(1,11%) і радіоактивного.

Співвідношення радіоактивного і стабільних ізотопів вуглецю в атмосфері і в біосфері приблизно однаково через активне перемішування атмосфери, оскільки всі живі організми постійно беруть участь у вуглецевому обміні, отримуючи вуглець з навколишнього середовища, а ізотопи, в силу їх хімічної нерозрізненості, беруть участь у біохімічних процесах практично однаковим чином.

Питома активність вуглецю в живих організмах відповідає атмосферному вмісту вуглецю і становить приблизно 0,3 розпаду в секунду на грам вуглецю. Із загибеллю організму вуглецевий обмін припиняється. Після цього стабільні ізотопи зберігаються, а радіоактивнийпоступово розпадається, в результаті його вміст в останках поступово зменшується. Знаючи вихідне співвідношення кількості ізотопів в організмі і визначивши їх поточне співвідношення в біологічному матеріалі мас-спектрометричним методом або вимірюванням активності методами дозиметрії, можна встановити час, що минув з моменту загибелі організму. Цей метод датування називаєтьсярадіовуглецевий аналіз.

Метод може застосовуватися і добре працює на шкалах від пари сотень до 60-70 тисяч років у минуле. У тому чи іншому вигляді працює для всіх зразків, що містять вуглець, включаючи навіть і неорганічні системи на зразок спелеоутворень. Для перевірки методу порівнювалися відомі віки історичних предметів з віком, обчисленим за допомогою датування вуглецем . Наприклад. Кипарисова балка з гробниці фараона Снеферу: відомий вікроків, вік згідно датування радіовуглецевим аналізом –років. Дерево палуби похоронного ковчега з гробниці фараона Сезостриса: відомий вік – 3750 років, вік згідно датування –років.

Ланцюгова реакція.В 1938 р. О.Ган і Ф.Штрассман відкрили що, при опроміненні ядер урану нейтронами утворюються елементи з середини таблиці Менделєєва, при цьому виділяється ще два нейтрона і велика кількість енергії

.

Випромінювання двох нейтронів дає можливість здійснити ланцюгову реакцію поділу ядер урану (рис. 4.3). Властивістю ділитися під дією нейтронів володіє тільки ізотоп урану-235. В природному урані 99% урану-238. Ланцюгова реакція в чистому урані-235 може розвиватися лише при певній його кількості. При незначній кількості урану нейтрони від розпаду одного ядра можуть вилітати назовні і не влучати в інші ядра. Мінімальну кількість урану-235, при якій може розвиватися ланцюгова реакція, називають критичною масою. Для урану-235 вона дорівнює приблизно 45 кг. При перевищенні критичної маси урану-235 нейтрони розмножуються настільки швидко, що ланцюгова реакція набуває характеру вибуху. Якщо виділити уран-235 і створити масу більше критичної, то реакція поділу почнеться самовільно і протікатиме у вигляді вибуху. Вибух ядерної бомби супроводжується виділенням величезної кількості енергії, завдяки чому в зоні вибуху температура підвищується до, а тиск сягає. Вибух супроводжується також інтенсивним радіоактивним випромінюванням. Перші атомні бомби були підірвані в 1945 році: 16.07 – США, 6.08 – Хіросіма, 9.08 – Нагасакі. В 1945 р. атомна бомба була зроблена і в СРСР.

В ядерних реакторах ланцюгова реакція повинна бути повільною і керованою. Для цього використовують речовини які сповільнюють і поглинають нейтрони.

На рис. 4.4 зображено схему атомної електростанції. Головна її частина ядерний реактор.

Ядерний реактор − це пристрій, в якому підтримується керована ядерна реакція поділу ядер.

Складові ядерного реактора:

• ядерне паливо (уран-235, плутоній-239);

• теплоносій, призначений для виведення тепла (вода, розплавлені метали);

• пристрій для регулювання швидкості реакції (стержні з кадмію);

• захисна оболонка;

• сповільнювач нейтронів (графіт, важка вода);

• відбивач нейтронів (повертає нейтрони в реактор).

Термоядерна реакція.Термоядерна реакція – різновид ядерної реакції, при якій легкі атомні ядра об’єднуються в більш важкі за рахунок кінетичної енергії їх теплового руху. Для того, щоб відбулася термоядерна реакція, атомні ядра повинні подолати так званий «кулонівський бар’єр» – силу електростатичного відштовхування між ними. Для цього вони повинні мати більшу кінетичну енергію, а цього можна досягти збільшенням температури. Саме цей зв’язок нагрівання речовини та ядерної реакції і відображає термін «термоядерна реакція». Приклад такої реакції

.

Некерована термоядерна реакція знайшла своє застосування у військовій справі. Вперше термоядерний вибуховий пристрій було випробувано в листопаді 1952 року в США, а в серпні 1953 року в Радянському Союзі випробували термоядерний вибуховий пристрій. Потужність термоядерного вибухового пристрою (на відміну від атомного) обмежена лише кількістю використовуваного для його створення матеріалу, що дозволяє створювати вибухові пристрої практично будь-якої потужності.

Застосування термоядерної реакції як практично невичерпного джерела енергії пов’язано в першу чергу з перспективою освоєння технології керованого термоядерного синтезу. В даний час наукова і технологічна база не дозволяє використовувати керований термоядерний синтез в промислових масштабах.