– proces interakcie jadra s elementárnou časticou alebo iným jadrom, počas ktorého dochádza k zmene štruktúry a vlastností jadra. Napríklad emisia elementárnych častíc jadrom, jeho štiepenie, emisia vysokoenergetických fotónov ( gama lúčov). Jedným z výsledkov jadrových reakcií je tvorba izotopov, ktoré na Zemi prirodzene neexistujú.
Jadrové reakcie môžu nastať, keď sú atómy bombardované rýchlymi časticami ( protóny , neutróny , ióny , alfa častice ).
Viac užitočná informácia na rôzne témy - na našich televíznych kanáloch.
Jadrové reakcie
Uskutočnila sa jedna z prvých jadrových reakcií uskutočnených ľuďmi Rutherford V 1919 rok, aby sa zistil protón. Vtedy sa ešte nevedelo, že jadro pozostáva z nukleóny (protóny A neutróny). Počas štiepenia mnohých prvkov bola objavená častica, ktorá bola jadrom atómu vodíka. Rutherford na základe experimentov vyslovil predpoklad, že táto častica je súčasťou všetkých jadier.
Táto reakcia presne opisuje jeden z vedcových experimentov. V experimente je plyn vyšší ( dusíka) je bombardovaný alfa častice (jadrá hélia), ktorý vyraďuje jadrá dusíka protón , premeniť ho na izotop kyslíka. Záznam tejto reakcie vyzerá takto:
Pri riešení problémov týkajúcich sa jadrových reakcií treba pamätať na to, že keď sa vyskytnú, sú splnené klasické zákony zachovania: poplatok , moment hybnosti , impulz A energie .
Je tu tiež zákon zachovania baryónového náboja . To znamená, že počet nukleónov zúčastnených na reakcii zostáva nezmenený. Ak sa pozrieme na reakciu, vidíme, že sumy hromadné čísla (číslo vyššie) a atómové čísla l (dole) na pravej a ľavej strane rovnice sú rovnaké.
Mimochodom! Teraz je tu zľava pre všetkých našich čitateľov 10% na .
Špecifická väzbová energia jadier
Ako je známe, jedna zo základných fyzikálnych interakcií funguje vo vnútri jadra vo vzdialenostiach rádovo jeho veľkosti - silná interakcia . Na jeho prekonanie a „zničenie“ jadra je potrebné veľké množstvo energie.
Jadrová väzbová energia - minimálna energia potrebná na rozdelenie jadra atómu na základné častice, z ktorých sa skladá.
Hmotnosť akéhokoľvek atómového jadra je menšia ako hmotnosť jeho častíc. Rozdiel medzi hmotnosťami jadra a jeho nukleónov sa nazýva hromadný defekt:
čísla Z A N sa dajú ľahko určiť pomocou periodické tabuľky a môžete si prečítať, ako sa to robí. Väzbová energia sa vypočíta podľa vzorca:
Energia jadrových reakcií
Jadrové reakcie sú sprevádzané energetickými premenami. Existuje množstvo nazývané energetický výťažok reakcie a je určené vzorcom
Delta M – hromadný defekt, ale v v tomto prípade je rozdiel v hmotnosti medzi počiatočným a konečným produktom jadrovej reakcie.
Reakcie môžu nastať tak pri uvoľňovaní energie, ako aj pri jej absorpcii. Takéto reakcie sa nazývajú resp exotermický
A endotermický
.
Uniknúť exotermická reakcia
, musí byť splnená nasledujúca podmienka: Kinetická energia počiatočné produkty musia byť väčšie ako kinetická energia produktov vznikajúcich počas reakcie.
Endotermická reakcia možné kedy špecifická väzbová energia nukleónov v počiatočných produktoch je menšia ako špecifická väzbová energia jadier konečných produktov.
Príklady riešenia problémov jadrovej reakcie
A teraz pár praktické príklady s riešením:
Aj keď narazíte na problém s hviezdičkou, stojí za to pamätať, že neexistujú žiadne neriešiteľné problémy. Študentský servis vám pomôže splniť akúkoľvek úlohu.
>> Jadrové reakcie
§ 106 JADROVÉ REAKCIE
Atómové jadrá podliehajú transformáciám počas interakcií. Tieto premeny sú sprevádzané zvýšením alebo znížením kinetickej energie častíc, ktoré sa na nich podieľajú.
Jadrové reakcie zmeny hovorov atómové jadrá keď interagujú s elementárnymi časticami alebo medzi sebou navzájom. Príklady jadrových reakcií ste už videli v § 103. K jadrovým reakciám dochádza, keď sa častice priblížia k jadru a dostanú sa do sféry pôsobenia jadrových síl. Pravdepodobne nabité častice sa navzájom odpudzujú. Preto je priblíženie kladne nabitých častíc k jadrám (alebo jadrám k sebe navzájom) možné, ak tieto častice (alebo jadrá) dostanú dostatočne veľkú kinetickú energiu. Táto energia je odovzdaná protónom, jadrám deutéria - deuterónom, -časticiam a iným ťažším jadrám pomocou urýchľovačov.
Na uskutočňovanie jadrových reakcií je táto metóda oveľa efektívnejšia ako použitie jadier hélia emitovaných rádioaktívnymi prvkami. Po prvé pomocou urýchľovačov možno časticiam dodať energiu rádovo 105 MeV, t.j. oveľa väčšiu, než akú majú častice alfa (maximálne 9 MeV). Po druhé , môžete použiť protóny, ktoré sú v procese rádioaktívny rozpad sa neobjavia (je to účelné, pretože náboj protónov je polovičný ako náboj -častíc, a teda odpudivá sila pôsobiaca na ne od jadier je tiež 2x menšia). Po tretie , je možné urýchliť jadrá ťažšie ako jadrá hélia.
Prvá jadrová reakcia s použitím rýchlych protónov sa uskutočnila v roku 1932. Lítium bolo možné rozdeliť na dve častice:
Na hodinách chémie ste sa dozvedeli o chemických reakciách, ktoré vedú k premene molekúl. Atómy sa však počas chemických reakcií nemenia. Uvažujme teraz o tzv jadrové reakcie, ktoré vedú k premenám atómov. Uveďme niektoré konvencie:
X je tu symbol chemického prvku (ako v periodickej tabuľke), Z je číslo náboja izotopového jadra, A je hmotnostné číslo izotopového jadra.
Číslo jadrovej nálože je počet protónov v jadre, ktorý sa rovná počtu prvku v periodickej tabuľke. Hmotnostné číslo jadra je počet nukleónov (protónov a neutrónov) vstupujúcich do jadra. Čísla náboja a hmotnosti sú fyzikálne veličiny, ktoré sa nezhodujú s nábojom a hmotnosťou jadra.
Symbol napríklad znamená, že jadro tohto atómu uhlíka má nábojové číslo 6 a hmotnostné číslo 12. Existujú aj iné izotopy uhlík, napríklad. Jadro takéhoto izotopu obsahuje na rovnaký počet protónov o jeden neutrón viac (porovnaj obrázky).
Rutherfordova prvá laboratórna jadrová reakcia prebiehala takto:
Jadro atómu dusíka interagovalo s a-časticou (jadro atómu hélia). Vzniklo tak fluórové jadro, nestabilný medziprodukt reakcie. A potom sa z toho vytvorili kyslíkové a vodíkové jadrá, teda sa to stalo premena jedného chemického prvku na iný.
Na základe výsledkov tohto jadrovej reakcie Urobme si nasledujúcu tabuľku.
Z porovnania buniek v tabuľke je vidieť, že súčty hmotnostných čísel, ako aj súčty nábojových čísel pred a po jadrovej reakcii sú párovo rovnaké. Experimenty to ukazujú pre všetky jadrové reakcie je to pravda zákon zachovania náboja a hmotnostných čísel: súčty nábojov a hmotnostných počtov častíc pred a po jadrovej reakcii sú v pároch rovnaké.
Väčšina jadrových reakcií končí po vytvorení nových jadier. Existujú však reakcie, ktorých produkty vyvolávajú nové jadrové reakcie, tzv jadrové reťazové reakcie. Príkladom je štiepna reakcia jadier uránu-235 (pozri obrázok). Keď neutrón zasiahne jadro uránu, rozpadne sa na dve ďalšie jadrá a 2-3 nové neutróny. Tieto neutróny zasiahli iné jadrá uránu a reťazová reakcia pokračuje. Tento stav je ideálny. V skutočnosti veľa vyrobených neutrónov vyletí z látky, a preto ich urán nemôže absorbovať.
S vysokým stupňom čistoty uránu, teda s jeho veľkým hmotnostným zlomkom, ako aj s jeho kompaktným umiestnením sa však zvyšuje pravdepodobnosť záchytu neutrónov susedným jadrom. Minimálna hmotnosť rádioaktívnej látky, pri ktorej dochádza k reťazovej reakcii, sa nazýva kritické množstvo. Pre čistý urán-235 je to niekoľko desiatok kilogramov. Veľmi rýchlo nastáva nekontrolovaná reťazová reakcia, ktorej výsledkom je výbuch. Pre jeho použitie v na mierové účely je potrebné, aby bola reakcia kontrolovateľná, čo sa dosahuje v špeciálnom zariadení - nukleárny reaktor(pozri § 15).
Jadrové reakcie sú v prírode veľmi časté. Napríklad viac ako polovica prvkov periodickej tabuľky má rádioaktívne izotopy.
V krátkosti si pripomeňme, čo už o atóme vieme:
- jadro atómu má extrémne vysokú hustotu s veľmi malou veľkosťou (vzhľadom na samotný atóm);
- jadro obsahuje protóny a neutróny;
- elektróny sa nachádzajú mimo jadra na energetických úrovniach;
- protóny majú kladný náboj, elektróny záporný náboj a neutróny nemajú náboj. Vo všeobecnosti je atóm neutrálny, pretože má rovnaký počet protónov a elektrónov;
- počet neutrónov nájdených v každom atóme toho istého prvku sa môže líšiť. Nazývajú sa atómy, ktoré majú rovnaký jadrový náboj, ale iný počet neutrónov izotopy.
V periodickej tabuľke je chemický prvok kyslík označený takto:
- 16 - hmotnostné číslo (súčet protónov a neutrónov);
- 8 - poradové (atómové) číslo prvku (počet protónov v jadre atómu);
- O- označenie prvku.
1. Rádioaktivita
Samovoľná premena nestabilného izotopu jedného chemického prvku na izotop iného prvku, pri ktorej dochádza k emisii elementárnych častíc, sa nazýva rádioaktivita.
Ak poznáme jednu z častíc, ktorá je výsledkom rozpadu, potom môžeme vypočítať druhú časticu, pretože počas jadrovej reakcie sa pozoruje takzvaná hmotnostná bilancia jadrovej reakcie.
Podstatu jadrovej reakcie možno schematicky vyjadriť takto:
Reaktanty, ktoré reagujú → Produkty, ktoré sú výsledkom reakcie
Uvažuje sa o jadrovej reakcii vyvážený, ak sa súčet atómových čísel prvkov na ľavej strane výrazu rovná súčtu atómových čísel prvkov získaných po reakcii. Rovnaká podmienka musí byť splnená pre súčty hmotnostných čísel. Predpokladajme, že dôjde k jadrovej reakcii: izotop chlóru (chlór-35) je bombardovaný neutrónom za vzniku izotopu vodíka (vodík-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 X + 1 1 H
Aký X-prvok bude na pravej strane reakčnej rovnice?
Na základe hmotnostnej bilancie jadrovej reakcie bude atómové číslo neznámeho prvku rovné 16. B periodická tabuľka Pod týmto číslom je prvok síra (S). Môžeme teda povedať, že v dôsledku našej jadrovej reakcie bombardovanie izotopu chlóru (chlór-35) neutrónom vytvára izotop vodíka (vodík-1) a izotop síry (síra-35). Tento proces sa tiež nazýva jadrovej transformácie.
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
Pomocou takýchto jadrových premien sa vedci naučili vyrábať umelé izotopy, ktoré sa v prírode nenachádzajú.
2. Prečo sa izotopy rozpadajú?
Jadro atómu obsahuje protóny (kladne nabité častice), ktoré sú sústredené vo veľmi malom priestore. Predtým sme povedali, že v jadre atómu existujú určité prídržné sily (takzvané „jadrové lepidlo“), ktoré bránia podobne nabitým neutrónom roztrhnúť jadro atómu. Ale niekedy energia odpudzovania častíc prevyšuje energiu lepenia a jadro sa rozdelí na kúsky - dochádza k rádioaktívnemu rozpadu.
Vedci zistili, že všetko chemické prvky, v ktorého jadre je viac ako 84 protónov (pod týmto sériové číslo v tabuľke je polónium - Po), sú nestabilné a z času na čas podliehajú rádioaktívnemu rozpadu. Existujú však izotopy, ktoré majú v jadre menej ako 84 protónov, no sú aj rádioaktívne. Faktom je, že stabilitu izotopu možno posudzovať podľa pomeru počtu protónov a neutrónov atómu. Izotop bude nestabilný, ak je rozdiel medzi počtom protónov a neutrónov veľký (veľa protónov a málo neutrónov, alebo málo protónov a veľa neutrónov). Izotop prvku bude stabilný, ak je počet neutrónov a protónov v jeho atóme približne rovnaký.
Preto sa nestabilné izotopy, ktoré podliehajú rádioaktívnemu rozpadu, menia na iné prvky. Proces transformácie bude pokračovať, kým sa nevytvorí stabilný izotop.
3. Polčas rozpadu
Kedy nastáva rádioaktívny rozpad atómu nestabilného prvku? To sa môže stať kedykoľvek: za pár okamihov alebo za 100 rokov. Ak je však vzorka atómov pre určitý prvok dostatočne veľká, možno odvodiť určitý vzor.
V tabuľke nižšie sú uvedené údaje o polčase pre niektoré rádioaktívne izotopy
Polčas rozpadu musí byť známy, aby bolo možné určiť čas, kedy sa rádioaktívny prvok stane bezpečným – stane sa to vtedy, keď jeho rádioaktivita natoľko poklesne, že sa už nedá zistiť, t.j. po 10 polčasoch rozpadu.
4. Jadrová reťazová reakcia
V 30. rokoch sa vedci začali pokúšať kontrolovať jadrové reakcie. V dôsledku bombardovania (zvyčajne neutrónom) jadro atómu ťažký prvok sa rozdelí na dve ľahšie jadrá. Napríklad:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Tento proces sa nazýva štiepenie (štiepenie) jadra. V dôsledku toho sa uvoľní obrovské množstvo energie. Odkiaľ to pochádza? Ak veľmi presne zmeriate hmotnosti častíc pred a po reakcii, ukáže sa, že v dôsledku jadrovej reakcie časť hmoty zmizla bez stopy. Táto strata hmotnosti sa zvyčajne nazýva hromadný defekt. Miznúca hmota sa premieňa na energiu.
Veľký Albert Einstein prišiel so svojím slávnym vzorcom: E = mc 2, Kde
E- množstvo energie;
m- hromadný defekt (miznutie hmoty látky);
s- rýchlosť svetla = 300 000 km/s
Keďže rýchlosť svetla je sama o sebe veľmi veľká veličina a vo vzorci je druhá mocnina, aj nevýznamne malé „zmiznutie hmoty“ vedie k uvoľneniu pomerne veľká kvantita energie.
Z vyššie uvedenej rovnice pre štiepenie uránu-235 je zrejmé, že v procese jadrového štiepenia sa spotrebuje jeden elektrón, ale naraz sa získajú tri. Na druhej strane tieto tri novoprijaté elektróny, ktoré sa na svojej „ceste“ stretnú s tromi jadrami uránu-235, vyvolajú ďalšie štiepenie, výsledkom čoho je 9 neutrónov atď... Takáto neustále sa zvyšujúca kaskáda štiepení sa nazýva reťazová reakcia.
Reťazová reakcia je možná len s tými izotopmi, ktorých štiepením vzniká nadbytok neutrónov. Takže reťazová reakcia s izotopom uránu (urán-238) je nemožná, pretože uvoľní sa iba jeden neutrón:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Pre jadrové reakcie sa používajú izotopy uránu (urán-235) a plutónu (plutón-239). Aby jadrová reakcia prebehla nezávisle, je potrebné určité množstvo štiepiteľnej látky, tzv kritické množstvo. V opačnom prípade bude počet nadbytočných neutrónov nedostatočný na uskutočnenie jadrovej reakcie. Hmotnosť štiepnej látky menšia ako kritická sa nazýva podkritické.
jadrovej reakcie – ide o premenu atómových jadier pri interakcii s elementárnymi časticami(vrátane s γ-kvanta) alebo medzi sebou. Najbežnejším typom jadrovej reakcie je reakcia napísaná symbolicky takto:
Kde X A Y– počiatočné a konečné jadrá, A A b– častica bombardujúca a emitovaná (alebo emitovaná) pri jadrovej reakcii.
V jadrovej fyzike je účinnosť interakcie charakterizovaná efektívny prierez σ. Každý typ interakcie častica-jadro je spojený s vlastným efektívnym prierezom: efektívny rozptylový prierez ;efektívny absorpčný prierez .
Efektívny prierez jadrovej reakcie σ nájdeme podľa vzorca:
 ,
|
(9.5.1) |
Kde N– počet častíc padajúcich za jednotku času na jednotku plochy prierez látka, ktorá má na jednotku objemu n jadrá; d N je počet týchto častíc reagujúcich vo vrstve hrúbky d X. Efektívny prierez σ má rozmer plochy a charakterizuje pravdepodobnosť, že dôjde k reakcii, keď zväzok častíc dopadne na látku.
Jednotka merania efektívneho prierezu jadrových procesov – stodola (1 stodola = 10–28 m2).
Pri akejkoľvek jadrovej reakcii sa vykonávajú zákony ochrany elektrické náboje A hromadné čísla : súčet poplatkov(a súčet hmotnostných čísel) jadrá a častice, reagujúci sa rovná súčtu nábojov(a súčet hmotnostných čísel) konečné produkty(jadrá a častice) reakcie. Prebieha Tiež zákony zachovania energie , impulz A moment hybnosti .
Na rozdiel od rádioaktívneho rozpadu, ktorý vždy uvoľňuje energiu, jadrové reakcie môžu byť buď exotermický (s uvoľnením energie), a endotermický (s absorpciou energie).
Najdôležitejšiu úlohu pri vysvetľovaní mechanizmu mnohých jadrových reakcií zohral predpoklad N. Bohra (1936), že jadrové reakcie prebiehajú v dvoch stupňoch podľa nasledujúcej schémy:
| . | (9.5.2) |
Prvé štádium – toto je zachytené jadrom Xčastice a, priblíženie sa k nemu na vzdialenosť pôsobenia jadrových síl (približne) a vytvorenie medziľahlého jadra S, nazývané kompozitné (alebo zložené jadro). Energia častice letiacej do jadra sa rýchlo rozdelí medzi nukleóny zloženého jadra, v dôsledku čoho sa ocitne v excitovanom stave. Keď sa nukleóny zrazia v zloženom jadre, jeden z nukleónov (alebo ich kombinácia, ako je deuterón) alebo α - častica môže prijať energiu dostatočnú na to, aby unikla z jadra. Ako výsledok prichádza druhý stupeň jadrovej reakcie – rozpad zloženého jadra na jadro Y a častica b.
V jadrovej fyzike sa zavádza charakteristický jadrový čas – čas,potrebný na to, aby častica prekonala vzdialenosť rádovo rovnajúcu sa priemeru jadra(). Takže pre časticu s energiou 1 MeV (čo zodpovedá jej rýchlosti 10 7 m/s) je charakteristický jadrový čas . Na druhej strane je dokázané, že životnosť zloženého jadra je 10 –16 – 10 –12 s, t.j. je (10 6 – 10 10)τ. To znamená, že počas života zloženého jadra môže dôjsť k množstvu vzájomných zrážok nukleónov, t.j. redistribúcia energie medzi nukleónmi je skutočne možná. V dôsledku toho zložené jadro žije tak dlho, že úplne „zabudne“, ako vzniklo. Preto povaha rozpadu zloženého jadra (častice ním emitované b) – druhý stupeň jadrovej reakcie – nezávisí od spôsobu vzniku zloženého jadra, prvý stupeň.
Ak je emitovaná častica identická so zachytenou (), potom schéma (4.5.2) popisuje rozptyl častice: elastický – at ; neelastické – pri . Ak emitovaná častica nie je totožná so zachytenou (), potom máme podobnosti s jadrovou reakciou v doslovnom zmysle slova.
Prebiehajú určité reakcie bez tvorby zloženého jadra, volajú sa priame jadrové interakcie(napríklad reakcie spôsobené rýchlymi nukleónmi a deuterónmi).
Jadrové reakcie sú klasifikované podľa nasledujúcich kritérií:
· podľa typu častíc, ktoré sa na nich podieľajú - reakcie pod vplyvom neutrónov; reakcie pod vplyvom nabitých častíc (napríklad protóny, deuteróny, a-častice); reakcie pod vplyvom γ-kvant;
· podľa energie častíc, ktoré ich spôsobujú - reakcie pri nízkych energiách (rádovo elektrónvoltov), prebiehajúce najmä za účasti neutrónov; reakcie pri stredných energiách (až niekoľko MeV), prebiehajúce za účasti γ-kvant a nabitých častíc (protónov, α-častíc); reakcie prebiehajúce pri vysokých energiách (stovky a tisíce MeV), čo vedie k objaveniu sa elementárnych častíc, ktoré vo voľnom stave chýbajú a majú veľký významštudovať ich;
· podľa typu jadier, ktoré sa na nich podieľajú - reakcie na ľahkých jadrách (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
· podľa charakteru prebiehajúcich jadrových premien - reakcie s emisiou neutrónov; reakcie s emisiou nabitých častíc; zachytávacie reakcie (pri týchto reakciách zložené jadro nevyžaruje žiadne častice, ale prechádza do základného stavu, pričom emituje jedno alebo viac γ-kván).
Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz: