Как сделать ядерную реакцию

Обновлено: 07.07.2024

Основными характеристиками ядра являются две величины: его заряд и его массовое число. Поэтому ядро и изображается обычно химическим символом с этими характеристиками, например:

Точно так же изображаются и отдельные частицы, например:

Индексы вверху означают массовые числа ядер, равные сумме чисел протонов и нейтронов, а индексы внизу — атомные номера ядер (числа протонов в ядре), равные порядковому номеру элементов.

Как же химически записать уравнение ядерной реакции?

В левой части уравнения пишут исходные вещества, а в правой — конечные продукты. Между правой и левой частями уравнения ставят стрелку.

Тепловые эффекты ядерных реакций в миллионы раз превышают тепловые эффекты химических реакций и достигают десятков и даже сотен миллионов электронвольт ( ).

При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер, и, следовательно, происходит превращение одних атомов в другие, поэтому применяемая при химических реакциях система проверки правильности написанного уравнения реакции по количеству атомов каждого элемента здесь уже непригодна и должна быть заменена другим приемом.

Уравнение ядерной реакций является правильным, если в правой и левой его половинах соблюдается равенство, общего массового числа и равенство общего числа зарядов. Это правило почти полностью совпадает с правилом проверки правильности ионного уравнения. Например, уравнение:

написано правильно, ибо в нем слева и справа числа атомов каждого элемента и числа зарядов равны.

написано неправильно, ибо в нем равны числа атомов каждого элемента, но нет равенства зарядов.

Напишем несколько уравнений ядерных реакций и прежде всего уравнение реакции Резерфорда.

Он бомбардировал азот -частицами (т. е. ядрами гелия); при этом получались протоны и ядра какого-то другого вещества.

Течение этой реакции выразится следующим уравнением:

Но ядро с зарядом 8 есть ядро кислорода. В окончательном виде уравнение реакции запишется так:

Уравнение написано правильно, так как сумма массовых чисел в левой половине (14+4) равна сумме массовых чисел в правой половине (17+1) и сумма зарядов в левой половине (7+2) равна сумме зарядов в правой половине (8+1).

Рассмотрим еще несколько примеров ядерных реакций:

1. При действии -частицы на бериллий выделяются нейтроны. Уравнение этой реакции запишется так:

(реакция открытия нейтрона).

2. При действии -частицы на серу выделяется дейтрон (ядро дейтерия). Уравнение реакции надо записать так:

3. При действии дейтронов на серу выделяются -частицы. Уравнение реакции:

Для написания уравнения ядерной реакции пользуются периодической системой Д. И. Менделеева, чтобы по порядковому номеру определить название элемента (и наоборот, по названию элемента найти порядковый номер).

Чтобы написать уравнение ядерной реакции, мы должны знать, кроме исходных веществ, хотя бы один конечный продукт из двух.

Уравнение ядерной реакции часто пишут сокращенно, причем сперва пишется взятое для реакции ядро, затем рядом в скобках вначале действующая частица, а затем выделяющаяся частица и, наконец, после скобки, получающееся ядро. В сокращенной записи индексы внизу не пишут, так как заряды ядер заданы химическими символами.

Приведем примеры полных уравнений ядерных реакций и в сокращенной записи.

Для осуществления химической реакции необходимо сближение атомов или молекул до расстояния порядка размеров атомов , при котором может произойти взаимодействие их электронных оболочек. Электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, больше энергии химических реакций.

Чтобы вызвать ядерную, необходимо сообщить ядрам такую энергию, при которой они смогут преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться друг с другом на расстояния порядка см у при которых происходит взаимодействие, обусловленное ядерными силами, действующими между нуклонами.

Ниже приводим типы некоторых ядерных реакций (табл. 26).

Огромное количество энергии (называемой ядерной или атомной) находится в ядре в скрытом сбстоянии. Практическое использование ядерных реакций для освобождения ядерной энергии очень долго оставалось невыгодным из-за малой вероятности удачных попаданий. Однако в 1939 г. наступил новый этап в развитии ядерной физики в связи с открытием деления ядер урана под действием нейтронов.

Ядро урана захватывает нейтрон и распадается на два больших осколка. Происходит, таким образом, совершенно новый вид ядерных превращений — так называемое деление ядер урана.

Очень быстро была установлена химическая природа этих осколков — они оказались радиоактивными изотопами элементов середины периодической системы. Величина этих осколков может быть различной, но сумма их зарядов должна быть равна 92 (заряду ядра урана). Как правило, обычно происходит асимметричное деление ядра, т. е. один осколок несколько тяжелее другого. Чаще всего встречаются такие комбинации осколков: барий + криптон; цезий + рубидий; лантан + бром и др.

Деление ядра урана на два массивных осколка сопровождается выделением большого количества энергии. При полном делении 1 кг урана 235 выделяется около ккал или 20 миллионов киловатт-часов, что равно энергии, выделяющейся при взрыве 20000 т тротила.

Особенностью этой реакции, как показал Жолио-Кюри, является то, что из ядра одновременно вылетает 2—3 нейтрона:

где и могут меняться от 30 до 65, и — от 72 до 162.

Вылетевшие нейтроны в свою очередь способны вызвать деление новых ядер урана, начав цепную реакцию.

Таблица 26. Типы некоторых ядерных реакций

Цепная реакция, раз начавшись, может продолжаться самопроизвольно лавинообразно и с нарастающей скоростью.

Для того чтобы цепная реакция могла иметь место, необходимо, чтобы уран был очищен от примесей и его было бы достаточное количество. Наименьшее количество урана, при котором возможна цепная ядерная реакция, называется критической массой. Если количество урана меньше критической массы, то цепной процесс деления ядер может прекратиться; при слишком большой массе урана цепная реакция, если ее не регулировать, может, постепенно ускоряясь, принять характер взрыва.

Кроме урана-235, совершенно аналогичное деление ядер способны также давать плутоний-239 и уран-233. Сырьем для плутония служит уран-238 по реакциям:

Сырьем для урана-233 служит торий:

В настоящее время ядерная энергия уже входит в практический обиход.

27 июня 1954 г. в СССР была пущена первая в мире электростанция в 5000 квт, работающая на ядерной энергии, и эту дату надо считать датой рождения новой области энергетики — ядерной энергетики.

Реактор для получения энергии (урановый котел) загружается ураном, обогащенным до ураном-235. Расход горючего — 30 г урана в сутки.

К известным уже до настоящего времени видам энергии: механической, тепловой, химической, электрической и другим прибавился новый вид энергии — ядерная энергия.

Меченые атомы очень широко применяются в качестве радиоактивных индикаторов, для самых разнообразных целей в научных исследованиях, в промышленности, в сельском хозяйстве, химии, медицине, биологии и других областях.

В последнее время внимание физиков и энергетиков сосредоточено на разработке термоядерных реакций, происходящих при сверхвысоких температурах порядка десятков миллионов градусов и выше.

К таким реакциям относятся:

Источником энергии солнца и других звезд являются термоядерные реакции.

Из них основное значение имеет синтез гелия из водорода по суммарной схеме:

причем данная реакция протекает через целый ряд промежуточных стадий. В недрах солнца температура достигает миллионов градусов, а давление — десятков и сотен миллионов атмосфер. Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. На долю всех остальных элементов (углерод, азот и др.) приходится .

Характерная особенность ядерной реакции в том, что, начавшись при очень высокой температуре, она дальше протекает самопроизвольно.

Ввиду того, что тритий очень дорог, главная задача состоит в создании такого управляемого термоядерного реактора, который работал бы на чистом дейтерии. А запасов дейтерия как топлива хватит на сотни миллионов лет, и производство его из обычной воды совсем недорого. Таким образом, после овладения термоядерными реакциями энергетические ресурсы человечества станут практически безграничными.

О ядерных реакциях уже неоднократно говорилось на протяжении нашего курса. Рассмотрим теперь относящиеся сюда вопросы более систематично, допуская повторения в тех немногих случаях, где это необходимо.

В самом широком смысле слова ядерной реакцией называется процесс, возникающий в результате взаимодействия нескольких (как правило двух) сложных атомных ядер или элементарных частиц. Под это определение подходит и упругое рассеяние частиц, например нуклона на нуклоне, т. е. такое рассеяние, при котором не образуются новые частицы и не происходит их возбуждения, а происходит лишь перераспределение энергии и иш пульса между ними. При неупругом рассеянии также не возникают новые частицы, но по крайней мере одна из них переходит в возбужденное состояние.

В настоящей главе рассматриваются ядерные реакции только в узком смысле. В таких реакциях среди исходных частиц обязательно имеется по крайней мере одно ядро. Оно сталкивается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и образуются новые частицы.

Как правило, ядерные реакции идут под действием ядерных сил. Но могут быть и исключения из этого правила. Например, процесс расщепления ядра под действием квантов высоких энергий или быстрых электронов есть ядерная реакция, но она происходит под действием электромагнитных, а не ядерных сил, так как ядерные силы на фотоны и электроны не действуют. Точно так же к ядерным реакциям в широком смысле относятся процессы, возникающие при столкновениях нейтрино с другими частицами, но они совершаются под действием слабых сил.

Ядерные реакции могут происходить в естественных условиях (например, в недрах звезд или в космических лучах). Но их изучение обычно производится в лабораторных условиях на экспериментальных установках, в которых заряженные частицы ускоряются с помощью ускорителей. В этих случаях более тяжелые частицы обычно покоятся и называются частицами мишени, а более легкие налетают на них в составе ускоренного пучка. В ускорителях на встречных пучках частицы движутся навстречу Друг другу, так что их деление на частицы мишени и частицы пучка теряет смысл. Кроме того, мишень не может состоять из нейтронов и большинства элементарных частиц, так как не существует способов приготовления таких мишеней.

2. Ускорением достигается сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояния порядка 10"13 см, на которых начинают действовать ядерные силы. Энергия налетающей положительной частицы должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядра (для однозарядной частицы и средних ядер порядка 10 МэВ, а для легких ядер меньше). В этих случаях ядерная реакция, как правило, и осуществляется за счет ускорения бомбардирующей частицы на ускорителе. Энергия частицы может быть и меньше высоты кулоновского барьера, как это было в классических опытах Кокрофта (1897—1967) и Уолтона (р. 1903), которые в 1932 г. впервые осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки их ускоренными протонами (см. (87.1)). Но в их опытах проникновение протона в ядро лития происходило путем туннельного перехода через кулоновский потенциальный барьер. Вероятность такого процесса, разумеется, очень мала. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер не существует и ядерные реакции могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.

3. Наиболее универсальная и наглядная запись ядерных реакций заимствована из химии. Слева пишется сумма исходных частиц, затем ставится стрелка, а за ней сумма конечных продуктов реакции. Например, запись

означает ядерную реакцию, возникающую при бомбардировке изотопа лития

означает реакцию расщепления ядра Ядерные реакции в узком смысле часто записывают в более короткой символической форме: A (a, bсd. ) В, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица, bсd .. — испускаемые в ядер-ной реакции частицы, В — остаточное ядро (в скобках после запятой записывают более легкие продукты реакции, вне — более тяжелые). Например, реакция (87.1) может быть записана так: При более детальной количественной характеристике ядерной реакции, идущей по нескольким каналам, вводят дифференциальные и интегральные сечения для отдельных каналов реакций* Для множественных процессов важное значение имеют так называемые инклюзивные сечения, определяющие вероятность появления в данном столкновении какой-либо определенной частицы или группы частиц.

5. Допустим теперь, что спины частиц, участвующих в реакции, не равны нулю. Если они как-то упорядочены, то частицы называются поляризованными. Так, поляризация света связана о ориентацией спинов фотонов. Частица с ненулевой массой покоя и спином / имеет 2L + 1 квантовых состояний, отвечающих различным значениям проекции спина на некоторое направление* Состояние частицы представляет собой суперпозицию этих состояний. Если коэффициенты суперпозиции полностью определены (чистое состояние), то говорят, что частица полностью поляризована. Если же они определены не полностью, а заданы некоторыми статистическими характеристиками (смешанное состояние), то говорят о частичной поляризации, В этом случае для характеристики состояния поляризации вводят вектор поляризации, модуль которого называется просто поляризацией и измеряется в процентах. Сам вектор поляризации равен среднему значению спина, деленному на максимальное значение его проекции. Если вектор поляризации не параллелен импульсу налетающей частицы, то угловое распределение частиц после реакции может оказаться не аксиально-симметричным, т. е. может зависеть от азимутального угла ф. Но и при отражении или рассеянии неполяризован-ного пучка частиц на неполяризованной мишени может возникнуть поляризация. Это явление, напоминающее поляризацию, возникающую при отражении естественного света от изотропных диэлектриков, используется для получения поляризованных частиц. Оказывается, что вектор поляризации частиц перпендикулярен к плоскости рассеяния.

6. Наглядно эффективное сечение можно рассматривать как эффективную площадь мишени, попадая в которую частица вызывает требуемую реакцию. Но из-за волновых и квантовых свойств частиц такое толкование имеет ограниченную область применимости. В частности, для квантовой частицы существует ненулевая вероятность пройти без отклонения в сторону через область, в которой на нее действуют силы. Тогда действительное полное эффективное сечение окажется меньше поперечного селения области, в которой происходит взаимодействие, В этом

случае по аналогии с оптикой ядро-мишень называют частично прозрачным или серым.

Из-за волновых свойств частиц невозможно и чисто неупругое рассеяние, при котором рассеивающее тело только поглощает все падающие на него частицы. В противном случае за телом появилась бы резкая тень, что невозможно. Тень обязательно размоется из-за дифракции. А это означает, что появятся частицы, отклонившиеся в сторону, т. е. поглощение будет сопровождаться еще упругим рассеянием. Это рассеяние ввиду своего происхождения называется дифракционным,

Сечения ядерных реакций о зависят от энергии & вылетающей частицы, типа ядерной реакции, углов вылетов и ориентации спинов частиц — продуктов реакции. Величина о колеблется в пределах 10“27—10”21 см2. Если длина волны де Бройля X налетающей частицы мала по сравнению с радиусом ядра то применимы методы геометрической оптики. В этом случае (для нерезонансных реакций и непрозрачных ядер) эффективное сечение реакции определяется геометрическим поперечным сечением ядра. На это соотношение, разумеется, нельзя смотреть как на точное. Действительно, сечение о есть точная, статистически определенная величина, тогда как в определении радиуса ядра R содержится известный элемент неопределенности и условности. Это, в частности, проявляется в том, что с изменением скорости налетающей частицы меняется и эффективное сечение реакции. При малых скоростях, когда X>>R, методы геометрической оптики уже неприменимы. Величиной, определяющей сечение реакции, становится главным образом X, а не R . Ведь обе величины R и как имеющие размерность длины, входят в формулы, определяющие эффективное сечение реакции.

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

  1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
  2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10 –15 м;
  3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zmp + Nmn) – М.

Энергия связи атомного ядра Есв равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Есв = Δmс 2 .

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10 –27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид:

Ядерный реактор

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2 H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3 H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3 и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

В курсе ядерной физики в школе изучается явление взаимного превращения одного вещества в другое. Данные превращения могут быть как спонтанные (радиоактивный распад), так и индуцированные (несколько ядер сталкивают друг с другом). В результате такой реакции получается новые вещества. Для описания таких превращений используют введённую нами форму записи для элементов и организуют их в подобие уравнения:

  • где
    • , — ядра до взаимодействия,
    • , — ядра после взаимодействия,
    • — — количество нуклонов (протонов+нейтронов) в соответствующих атомах,
    • — — количество протонов в соответствующих атомах.

    Единственное, чем мы можем пользоваться в таких уравнениях, это простая логика — количество нуклонов и протонов в ходе реакции измениться не должно, таким образом, мы можем получить два уравнения:

    Такие задачи обычно нацелены на поиск неизвестного элемента, и соотношений (2) — (3) для этого хватает. Находим количество протонов и нейтронов и, используя таблицу Менделеева, определяем нужный элемент.

    Пример: пусть ядро азота и ядро гелия, сталкиваясь образуют ядро кислорода и неизвестный элемент. Найти данный элемент. По задаче сформируем уравнение:

    Воспользуемся законом сохранения нуклонов (2) и (3):

    Тогда искомый элемент — водород ().

    Среди элементов, которые текстово могут встретиться в таких задачах, присутствуют:

    • нейтрон — ,
    • протон — , аналогом протона является ядро водорода (),
    • дейтерий — — ядро водорода (изотоп), которое приобрело дополнительный нейтрон,
    • тритий — — ядро водорода (изотоп), которое приобрело два дополнительных нейтрона,
    • — частица (альфа-частица) — ядро гелия — ,
    • — частица (бетта-частица) — по сути электрон — ,
    • — частица (гамма-частица) — фактический фотон — .

    Бетта-частица является обычным электроном, однако в ядре электронов нет, тогда электроны из ядра получается в результате ядерной реакции: .

    Вывод: задачи на данную тематику практически всегда касаются поиска конкретного элемента в реакции. Поиск осуществляется законом сохранения нуклонов (уравнения (1) и (2)).

    Читайте также: