Ядерная реакция – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами) или друг с другом . Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частица.
В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния ; эффективное сечение поглощения .
Эффективное сечение ядерной реакции σ находится по формуле:
 ,
|
(9.5.1) |
где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма n ядер; dN – число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx . Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция.
Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1 барн = 10 –28 м 2).
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел : сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц , вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции . Выполняются также законы сохранения энергии , импульса и момента импульса .
В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).
Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме :
| . | (9.5.2) |
Первая стадия – это захват ядром X частицы a , приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно ), и образование промежуточного ядра С , называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра, один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон) или α- частица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b .
В ядерной физике вводится характерное ядерное время – время , необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра (). Так для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует её скорости 10 7 м/с) характерное ядерное время .С другой стороны, доказано, что время жизни составного ядра 10 –16 – 10 –12 с, т.е. составляет (10 6 – 10 10)τ. Это означает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столкновений нуклонов между собой, т.е. перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно. Следовательно, составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускаемые им частицы b ) – вторая стадия ядерной реакции – не зависит от способа образования составного ядра, первой стадии.
Если испущенная частица тождественна с захваченной (), то схема (4.5.2) описывает рассеяние частицы: упругое – при ; неупругое – при . Если же испущенная частица не тождественна с захваченной (), то имеем сходство с ядерной реакцией в прямом смысле слова.
Некоторые реакции протекают без образования составного ядра , они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).
Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам :
· по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;
· по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольтов), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
· по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
· по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испускании одинго или нескольких γ-квантов).
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Вспомним вкратце, что мы уже знаем об атоме:
- ядро атома имеет чрезвычайно большую плотность при очень малом размере (относительно самого атома);
- в ядре находятся протоны и нейтроны;
- электроны находятся вне ядра на энергетических уровнях;
- протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, а нейтроны - не имеют заряда. В целом атом нейтрален, т.к. имеет равное число протонов и электронов;
- количество нейтронов, находящихся в каждом атоме одного и того же элемента, может быть разным. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное кол-во нейтронов, называются изотопами .
В периодической таблице химический элемент "кислород" обозначается следующим образом:
- 16 - массовое число (сумма протонов и нейтронов);
- 8 - порядковый (атомный) номер элемента (количество протонов в ядре атома);
- О - обозначение элемента.
1. Радиоактивность
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.
Если нам известна одна из частиц, получившаяся при распаде, то можно вычислить и другую частицу, поскольку во время ядреной реакции соблюдается, так называемый, баланс масс ядерной реакции.
Суть ядерной реакции схематически можно выразить так:
Реагенты, вступающие в реакцию → Продукты, получившиеся в результате реакции
Ядерная реакция считается сбалансированной , если сумма атомных номеров элементов в левой части выражения будет равна сумме атомных номеров элементов, полученных после реакции. Это же условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 Х + 1 1 H
Какой Х-элемент будет находиться в правой части уравнения реакции?
Исходя из баланса масс ядерной реакции, атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В Периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Т.о., можно сказать, что в результате нашей ядерной реакции при бомбардировке изотопа хлора (хлор-35) нейтроном получается изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35). Этот процесс называют еще ядерным превращением .
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.
2. Почему изотопы распадаются?
В ядре атома находятся протоны (положительно заряженные частицы), которые сконцентрированы в очень малом пространстве. Ранее мы говорили, что в ядре атома действуют некие удерживающие силы (так называемый, "ядерный клей"), которые не дают одноименно заряженным нейтронам разорвать ядро атома. Но иногда энергия отталкивания частиц превосходит энергию склеивания, и ядро раскалывается на части - происходит радиоактивный распад.
Ученые установили, что все химические элементы, в ядре которых более 84 протонов (под этим порядковым номером в таблице находится полоний - Ро), являются нестабильными и время от времени подвергаются радиоактивному распаду. Однако, существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, но они также являются радиоактивными. Дело в том, что о стабильности изотопа можно судить по соотношению количества протонов и нейтронов атома. Изотоп будет нестабилен, если разность между количеством протонов и нейтронов велика (много протонов и мало нейтронов, либо мало протонов и много нейтронов). Изотоп элемента будет устойчивым, если количество нейтронов и протонов в его атоме примерно равно.
Поэтому, неустойчивые изотопы, подвергаясь радиоактивному распаду, превращаются в другие элементы. Процесс превращения будет идти до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп.
3. Период полураспада
Когда же происходит радиоактивный распад атома неустойчивого элемента? Это может произойти в любой момент: через пару мгновений, или через 100 лет. Но, если выборка атомов по определенному элементу достаточно велика, то можно вывести определенную закономерность.
Ниже в таблице приведены данные периода полураспада для некоторых радиоактивных изотопов
Период полураспада необходимо знать для того, чтобы определить время, когда радиоактивный элемент станет безопасен - это произойдет, когда его радиоактивность упадет настолько, что ее нельзя будет обнаружить, т.е., через 10 периодов полураспада.
4. Цепная ядерная реакция
В 30-х годах прошлого столетия ученые начали пытаться управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра. Например:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра . В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
Великий Альберт Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу: E = mc 2 , где
Е
- количество энергии;
m
- дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с
- скорость света = 300 000 км/с
Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.
Из приведенного выше уравнения расщепления урана-235 видно, что в процессе деления ядра расходуется один электрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных электрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т.д… Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией .
Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана (уран-238) невозможна, т.к. высвободится только один нейтрон:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Для ядерных реакций используют изотопы урана (уран-235) и плутона (плутон-239). Чтобы ядерная реакция смогла протекать самостоятельно, требуется определенное количество расщепляемого вещества, называемое критической массой . В противном случае число избыточных нейтронов будет недостаточным для осуществления ядерной реакции. Масса расщепляемого вещества меньше критической называется субкритической .
И способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.
Что такое ядерные реакции
Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.
Немного истории ядерных реакций
Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.
А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.
Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.
Типичная формула ядерной реакции.
Какие ядерные реакции есть в физике
В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:
- деление атомных ядер
- термоядерные реакции
Ниже детально напишем о каждой из них.
Деление атомных ядер
Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деления ядер атома , продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.
Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.
Вот так она выглядит на схеме.
При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.
Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография
Термоядерные реакции
В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.
Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.
Ядерные реакции, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.
Теория относительности говорит, что масса - это особая форма энергии. Из этого следует, что можно преобразовать массу в энергию и энергию в массу. На внутриатомном уровне такие реакции имеют место. В частности, некоторое количество массы самого вполне может превратиться в энергию. Это происходит по нескольким путям. Во-первых, ядро может распасться на некоторое количество более мелких ядер, эта реакция называется «распадом». Во-вторых, более мелкие ядра могут запросто соединиться, чтобы получилось более крупное, - это реакция синтеза. Во Вселенной такие реакции весьма распространены. Достаточно сказать, что реакция синтеза - источник энергии для звезд. А вот реакция распада используется человечеством на так как люди научились контролировать эти сложные процессы. Но что же такое цепная ядерная реакция? Как ею управлять?
Что происходит в ядре атома
Цепная ядерная реакция - процесс, идущий при столкновении элементарных частиц или ядер с другими ядрами. Почему «цепная»? Это совокупность последовательных одиночных ядерных реакций. В результате этого процесса происходит изменение квантового состояния и нуклонного состава у исходного ядра, появляются даже новые частицы - продукты реакции. Цепная ядерная реакция, физика которой позволяет исследовать механизмы взаимодействия ядер с ядрами и с частицами, - это основной метод для получения новых элементов и изотопов. Для того чтобы понять протекание цепной реакции, надо вначале разобраться с одиночными.
Что нужно для реакции
Для того чтобы осуществить такой процесс, как цепная ядерная реакция, необходимо сблизить частицы (ядро и нуклон, два ядра) на расстояние радиуса сильного взаимодействия (примерно один ферми). Если расстояния большие, то взаимодействие заряженных частиц будет чисто кулоновским. В ядерной реакции соблюдаются все законы: сохранение энергии, момента, импульса, барионного заряда. Цепная ядерная реакция обозначается набором символов а, b, с, d. Символ а обозначает исходное ядро, b - налетающую частицу, с - новую вылетающую частицу, а d обозначает результирующее ядро.
Энергия реакции
Цепная ядерная реакция может проходить как с поглощением, так и с выделением энергии, которая равняется разности масс частиц после реакции и до нее. Поглощаемая энергия определяет минимальную кинетическую энергию столкновения, так называемый порог ядерной реакции, при которой она может свободно протекать. Данный порог зависит от частиц, которые участвуют во взаимодействии, и от их характеристик. На начальном этапе все частицы находятся в заранее определенном квантовом состоянии.
Осуществление реакции
Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций - как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции - величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.
Механизм реакции
Что такое цепная ядерная реакция? Как уже говорилось, это последовательность более простых реакций. Характеристики налетающей частицы и ее взаимодействия с ядром зависят от массы, заряда, кинетической энергии. Взаимодействие определяется степенью свободы ядер, которые и возбуждаются при столкновении. Получение контроля над всеми этими механизмами позволяет проводить такой процесс, как управляемая цепная ядерная реакция.
Прямые реакции
Если заряженная частица, которая налетает на ядро-мишень, только касается его, то длительность столкновения будет равна необходимому для преодоления расстояния радиуса ядра. Такую ядерную реакцию называют прямой. Общей характеристикой для всех реакций такого типа является возбуждение малого числа степеней свободы. В таком процессе после первого столкновения частица имеет еще достаточно энергии для преодоления ядерного притяжения. К примеру, такие взаимодействия, как неупругое рассеивание нейтронов, обмен заряда, и относятся к прямым. Вклад таких процессов в характеристику под названием "полное сечение" достаточно мизерный. Однако распределение продуктов прохождения прямой ядерной реакции позволяет определить вероятность вылета от угла направления пучка, селективность заселенных состояний и определить их структуру.
Предравновесная эмиссия
Если частица не покинет область ядерного взаимодействия после первого же столкновения, то она будет вовлечена в целый каскад из последовательных столкновений. Это фактически как раз то, что называется цепной ядерной реакцией. В результате такой ситуации кинетическая энергия частицы распределяется среди составляющих частей ядра. Само же состояние ядра будет постепенно сильно усложняться. Во время этого процесса на каком-то нуклоне или же целом кластере (группе нуклонов) может быть сконцентрирована энергия, достаточная для эмиссии этого нуклона из ядра. Дальнейшая релаксация приведет к формированию статистического равновесия и образования составного ядра.
Цепные реакции
Что такое цепная ядерная реакция? Это последовательность ее составных частей. То есть множественные последовательные единичные ядерные реакции, вызванные заряженными частицами, появляются как продукты реакции на предыдущих шагах. Что называется цепной ядерной реакцией? К примеру, деление тяжелых ядер, когда множественные акты деления инициируются полученными при предыдущих распадах нейтронами.
Особенности цепной ядерной реакции
Среди всех химических реакций большое распространение получили именно цепные. Частицы с неиспользованными связями выполняют роль свободных атомов или радикалов. При таком процессе, как цепная ядерная реакция, механизм ее протекания обеспечивают нейтроны, которые не имеют кулоновского барьера и возбуждают ядро при поглощении. Если в среде появляется необходимая частица, то она вызывает цепь последующих превращений, которые будут продолжаться до разрыва цепи из-за потери частицы-носителя.
Почему теряется носитель
Есть всего две причины потери частицы-носителя непрерывной цепи реакций. Первая заключается в поглощении частицы без процесса испускания вторичной. Вторая - уход частички за предел объема вещества, которое поддерживает цепной процесс.
Два типа процесса
Если в каждом периоде цепной реакции рождается исключительно единичная частичка-носитель, то можно назвать этот процесс неразветвленным. Она не может привести к выделению энергии в больших масштабах. Если же появилось много частиц-носителей, то это называется разветвленной реакцией. Что такое цепная ядерная реакция с разветвлением? Одна из полученных в предыдущем акте вторичных частиц продолжит начатую ранее цепь, а вот другие создадут новые реакции, которые тоже будут ветвиться. С этим процессом будут конкурировать приводящие к обрыву процессы. Полученная в результате ситуация будет порождать специфические критические и предельные явления. Например, если обрывов больше, чем чисто новых цепей, то самоподдерживание реакции будет невозможным. Даже если возбудить ее искусственно, введя в данную среду нужное количество частиц, то процесс все равно будет затухать со временем (обычно довольно быстро). Если же количество новых цепей будет превосходить количество обрывов, то цепная ядерная реакция начнет распространяться по всему веществу.
Критическое состояние
Критическим состоянием отделяют область состояния вещества с развитой самоподдерживающейся цепной реакцией, и область, где данная реакция невозможна вообще. Этот параметр характеризуется равенством между количеством новых цепей и числом возможных обрывов. Как и наличие свободной частицы-носителя, критическое состояние является основным пунктом в таком списке, как «условия осуществления цепной ядерной реакции». Достижение этого состояния может быть определено целым рядом возможных факторов. тяжелого элемента возбуждается всего одним нейтроном. В результате такого процесса, как цепная ядерная реакция деления, появляется больше нейтронов. Следовательно, этот процесс может произвести разветвленную реакцию, где носителями и будут выступать нейтроны. В том случае, когда скорость захватов нейтронов без деления или вылетов (скорость потери) будет компенсироваться скоростью размножения несущих частиц, то цепная реакция будет протекать в стационарном режиме. Это равенство характеризует коэффициент размножения. В приведенным выше случае он равен единице. В благодаря введению между скоростью выделения энергии и коэффициентом размножения возможно осуществить управление протеканием ядерной реакции. Если же этот коэффициент будет больше чем единица, то реакция будет развиваться по экспоненте. Неуправляемые цепные реакции используют в ядерном оружии.
Цепная ядерная реакция в энергетике
Реактивность реактора определяется большим количеством процессов, которые происходят в его активной зоне. Все эти влияния определяются так называемым коэффициентом реактивности. Влияние изменения температуры графитовых стержней, теплоносителей или урана на реактивность реактора и интенсивность протекания такого процесса, как цепная ядерная реакция, характеризуются температурным коэффициентом (по теплоносителю, по урану, по графиту). Также есть зависимые характеристики по мощности, по барометрическим показателям, по паровым показателям. Для поддержания ядерной реакции в реакторе необходимо превращение одних элементов в другие. Для этого нужно учитывать условия протекания цепной ядерной реакции - наличие вещества, которое способно делиться и выделять из себя при распаде некоторое количество элементарных частиц, которые, как следствие, будут вызывать деление остальных ядер. В качестве такого вещества зачастую используют уран-238, уран-235, плутоний-239. Во время прохождения цепной ядерной реакции изотопы данных элементов будут распадаться и образовывать два и более других химических веществ. При этом процессе излучаются так называемые «гамма»-лучи, происходит интенсивное выделение энергии, образуются два или три нейтрона, способные продолжить акты реакции. Различают медленные нейтроны и быстрые, ведь для того чтобы ядро атома распалось, эти частички должны пролететь с определенной скоростью.
На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов - точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно - но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.
Общее понятие о ядерных реакциях
Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:
- превращение одного химического элемента в другой;
- синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.
Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы - это возможные пути, по которым реакция будет протекать.
Правила записи ядерных реакций
В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.
Первый способ - тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой - продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:
9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.
Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние - количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.
Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:
9 4 Be (α, n) 12 6 C.
Общий вид такой записи: A (a, b 1 b 2 …) B. Здесь A - ядро-мишень; a - налетающая частица или ядро; b 1 , b 2 и так далее - легкие продукты реакции; B - конечное ядро.
Энергетика ядерных реакций
В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.
Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.
В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы - разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = E св /c 2 . Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zm p + Am n - М я, где Z - заряд ядра, A - массовое число, m p - масса протона (1,00728 а.е.м.), m n - масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), M я - масса ядра.
При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc 2 /A).
Энергия связи и стабильность ядер
Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.
Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же - напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.
Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.
Реакции распада
Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.
Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число - на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:
226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).
Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.
Бета-распад, обусловленный происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:
18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .
Энергия бета-распада фтора-18 - около 0,63 МэВ.
Деление ядер
Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко - три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.
Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:
235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.
Расщепление на барий-144 и криптон-89 - лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, где 236 92 U* - сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра - примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 10 4 мегаджоулей.
Цепные реакции
Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью - наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.
Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = N i /N i -1 (здесь N - количество частиц, i - порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа - взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.
Ядерный синтез
Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер - так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.
Пример ядерной реакции синтеза - образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.
Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ - ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) - с другой.
В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия - самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.
Примеры решения задач
Рассмотрим реакцию деления 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:
Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + …) ∙ c 2 .
Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:
Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.
Еще один пример - на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла - главного источника солнечной энергии.
3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.
Применим ту же формулу:
Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.
Основная доля этой энергии - 12,8 МэВ - приходится в данном случае на гамма-фотон.
Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.