Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

При ядерных реакциях выполняется законы сохранения: импульса, энергии, момента импульса, зарядового и массового числа.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина

Q = (M_A + M_B – M_C – M_D)c² = ΔMc².

где M_A и M_B – массы исходных продуктов, M_C и M_D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс ядерной реакции.

Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0)

При ядерной реакции энергия выделяется (экзотермические Q > 0), если масса исходных ядер и частиц больше массы продуктов реакции.

При ядерной реакции энергия поглощается (эндотермические, Q < 0), если масса исходных ядер и частиц меньше массы продуктов реакции.

Реакции ядерного синтеза

Кроме рассмотренных в предыдущих разделах экзотермических реакций расщепления тяжелых ядер урана и тория, известен еще один практически важный тип экзотермических ядерных реакций. Это реакции слияния ядер или ядерного синтеза.

Если два легких ядра сумеют преодолеть кулоновские силы отталкивания и образовать одно новое тяжелое ядро, также выделится энергия. Например, два ядра тяжелого водорода (дейтерия, D) могут слиться и образовать ядро гелия:

(реакция D+D)

Ядро дейтерия (D) и трития (T) также могут образовать гелий:

(реакция D+T)

Известны также реакции ядерного слияния лития с нейтроном или водородом:

Для того, чтобы преодолеть силы кулоновского отталкивания и образовать более тяжелое ядро, исходные легкие ядра должны иметь очень большую кинетическую энергию. Необходимую скорость исходные ядра могут получить только при очень высокой температуре, измеряемой миллионами градусов. Поэтому другое название реакций ядерного синтеза – термоядерные реакции.

Расчеты показывают, что при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития (реакция D+T) выделяется энергия 4,210¹¹Дж. Такая же энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование реакций термоядерного синтеза в мирных целях является одной из главных задач современной науки и техники.

Цепная реакция. Критическая масса

Нейтроны, высвобожденные в результате деления ядра, при благоприятных условиях могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При этом высвобождаются новые нейтроны, которые попадают в новые ядра урана и так далее. Процесс расщепления происходит лавинообразно, охватывая всю делящуюся массу. В этом состоит сущность цепной реакции.

Для возникновения цепной реакции делящийся материал должен иметь определенную минимальную массу. В противном случае нейтроны будут пролетать мимо ядер и уходить из зоны деления. Минимальная масса делящегося вещества, при которой реакция еще может идти самопроизвольно, называется критической массой. Для чистого урана-235 критическая масса составляет примерно 50 кг.