Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Атомная физика.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
13.11.2019
Размер:
1.47 Mб
Скачать

Поняття про ядерні реакції

Ядерна реакція – це штучне перетворення атомних ядер при їхній взаємодії як одне із одним, так і з ядерними частинками, а також із -квантами. При ядерних реакціях виконуються закони збереження: сумарного електричного заряду, кількості нуклонів, енергії, імпульсу, моменту імпульсу. Всі ядерні реакції характеризуються енергією, яка виділяється або поглинається при їхньому протіканні. Якщо реакція супроводжується виділенням енергії, її називають екзотермічною, а якщо поглинанням енергії– ендотермічною. Зміна енергії при ядерній реакції визнача-

ється так:

де - - сума мас частинок до реакції, - сума мас частинок після реакції. Якщо реакція відбувається

при умові то вона екзотермічна (енергія виділяється). А якщо ж то вона ендотермічна (енергія поглинається). Для визначення енергетичного виходу ядерних реакцій, цю формулу зручно використовувати у виг-

ляді:

У формулу, як і при визначенні енергії звязку ядра, можна підставляти маси атомних ізотопів

а.о.м.), а не ядер, оскільки поправки на масу електронів оболонок входять із протилежними знаками і тому виключаються.

Ядерні реакції протікають за схемою: Х+аY+b, де X та Y - материнське і дочірнє ядра, а та b – бомбардуюча та випромінювана в ядерній реакції частинки. Згідно запропонованої Бором теорії, ядерні реакції протікають у два етапи. Перший етап це захоплення ядром-мішенню А бомбардуючої частинки а, що наблизилась до нього на відстань дії ядерних сил, і утворення складеного ядра (компаунд-ядра) С*, яке знаходиться у збудженому стані. За час життя у цьому стані, нуклони складеного ядра багато разів стикаються і відбувається перерозподіл енергії між ними. При цьому один із нуклонів (або їхня комбінація) може одержати енергію, достатню для вильоту із ядра. В результаті і можливий другий етап – розпад компаунд-ядра на дочірнє ядро Y і частинку b – кінцеві продукти ядерної реакції: С*Y+b. Схему протікання ядерних реакцій можна записувати у скороченому вигляді: X(а, b)Y. У дужках указуються частинки, що беруть участь в реакції: спочатку початкова (бомбардуюча – а), а потім кінцева (яка випускається - b). Однією із перших ядерних реакцій було з'єднання ядер азоту із ядрами гелію (-частинками). Вона була здійснена у 1919 році Е.Резерфордом:

Ядерні реакції підтверджують можливість перетворення ядер одних хімічних елементів у ядра інших, і відкрили можливість отримання радіоактивних елементів штучним

шляхом. Передбачене Резерфордом у 1920 році наявність у ядрі нейтральних частинок (нейтронів) була експериментально підтверджена у 1932 році Боті і Бекке-

ром при обстрілі ядер берилію -частинками:

У 1934 році Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі винайшли, що при опромінюванні ядер ізотопу алюмінію потоком -час-

Тинок,вони перетворювались на ядра ізотопу фосфору із викидом нейтронів:

Штучно одержаний ізотоп фосфору, який в природі не зустрічається, виявився радіоактивним. Радіоактивність ізо-топів, одержана в результаті ядерних реакцій, називається

штучною радіоактивністю. Природній і штучній радіоактивності властиві загальні закономірності, тому принципових відмінностей між ними немає. Штучні радіоактивні ізотопи можуть бути одержані у всіх без виключення елементів, якщо атомні ядра стабільних елементів бомбардувати протонами, нейтронами, -частинками або іншими. Більшість радіоактивних ізотопів виготовляють штучно на ядерних реакторах і прискорювачах заряджених частинок.

Для отримання внутрішньоядерної енергії можуть бути використані два типи екзотермічних ядерних реакцій. Перший з них – поділ важких ядер, продуктами якого є, в основному, два ядра-уламки, два-три нейтрони і енергія, яка виділяється. Розпад ядер-уламків веде до викиду ними -частинок і -квантів. Прикла-

дом поділу важкого ядра може служи- ти реакція:

Ядра-уламки (продукти поділу і ) можуть бути вельми різноманітні, зараз їх нараховується понад 200 видів. Поділ на уламки рівної маси менш вірогідний і спостерігається рідко. Найтиповішим прикладом реакції поділу є реакція:

При розподілі ядер урану виділяється величезна енергія. Так, 1 грам урану дає стільки ж енергії, скільки виділяється при спалюванні

2,5 тонн вугілля (22 МВтч). Основна частина енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків поділу, а 10% енергії припадає на випромінювання. Мінімальна енергія, необхідна для здійснення реакції поділу, називається енергією активації ядра. Окрім ядра повільні (теплові) нейтрони викликають поділ ядер

Поява необхідних для реакції поділу теплових нейтронів може бути обумовлена лише при одній умові – здійсненні ланцюгової реакції, в процесі якої потрібні частинки утворюються, як продукти цієї реакції. Саме так і відбувається поділ ізотопу урану-235: при кожному акті поділу вивільняються декілька нейтронів (кількість їх може бути різною). Якщо утворені нейтрони будуть здатні ділити ядра інших атомів урану, то процес розподілу супроводжується розмноженням нейтронів. Найважливішим параметром розвитку ядерних реакцій є коефіцієнт розмноження нейтронів k, рівний відношенню кількості нейтронів в даному поколінні Ni до їхньої кількості Ni-1 у попередньому поколінні k=Ni/Ni-1. Коефіцієнт розмноження k залежить від природи речовини, яка ділиться, від його кількості, а також від розмірів і форми активної зони – простору, де відбувається ланцюгова реакція. Саме від значення цього коефіцієнта залежить весь хід ланцюгової ядерної реакції. Якщо k<1, кількість нейтронів із часом зменшується, а ланцюгова реакція називається затухаючою. Якщо k=1, то кількість нейтронів із часом не змінюється, ланцюгова реакція протікає зі сталою інтенсивністю і називається такою, що самопідтримується. Така керована ядерна реакція здійснюється у ядерних реакторах. Якщо k1, кількість нейтронів із часом безперервно росте, при цьому ланцюгова реакція розвивається лавиноподібно. Якщо виділення енергії відбувається у вигляді вибуху, реакція називається некерованою (відбувається при вибуху атомної бомби).

Окрім реакцій поділу важких ядер, іншим типом ядерних реакцій, при яких звільняється ядерна енергія, є реакції синтезу (з'єднання) легких ядер. Виділення великої кількості енергії відбувається тому, що у легких ядер питома енергія зв'язку менша, ніж у проміжних ядер, і різко збільшується при переході від ядер дейтерію і тритію до ядер гелію і літію . Прикладами реакцій синтезу (і відповідна енергія виходу) є такі:

(Q=4,0 МеВ).

(Q=3,3 МеВ).

(Q=17,6 МеВ).

(Q=22,4 МеВ).

Оскільки синтезу ядер перешкоджає кулонів-ське відштовхування їхніх зарядів, то для зді-йснення реакцій синтезу ядра мусять володі-ти величезними кінетичними енергіями (тим більшими, чим більші заряди ядер, які єднаються). Великі швидкості відповідають високим температурам (107 К і вищим), тому для протікання реакцій синтезу необхідне розігрі-

вання речовини до надвисоких температур, що дало підставу назвати такі реакції термоядерними реакціями. Приведена вище реакція злиття ядер дейтерію і тритію лягла в основу створення водневої бомби. Запалом в ній служить атомна бомба, при вибуху якої виникає температура 107 К, достатня для протікання некерованої реакції синтезу. Цілком вірогідно, що такі реакції синтезу протікають в надрах зірок, у тому числі і нашого Сонця. В цілях управління реакцією синтезу ядер водню і створення керованих термоядерних реакторів, розробляються методи створення дуже високих температур у водневій плазмі, яка утворюється при протіканні імпульсного струму високої густини через газоподібний дейтерій. Головна трудність в отриманні керованої термоядерної реакції полягає у забезпеченні повної ізоляції плазми від стінок реактора. Проблемами отримання і утримання високотемпературної плазми у наш час зайняті фізики всіх найрозвиненіших країн світу. Для утримання плазми від зіткнення із стінками реактора, використовують метод магнітної теплоізоляції, при якому заряджені частинки плазми в сильному магнітному полі під дією сили Лоренца гвинтоподібно навиваються на силові лінії поля.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ З РОЗДІЛУ “ЯДЕРНА ФІЗИКА”

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.