Chemijos pamokose sužinojote apie chemines reakcijas, kurios lemia molekulių virsmą. Tačiau vykstant cheminėms reakcijoms atomai nesikeičia. Dabar panagrinėkime vadinamąjį branduolinės reakcijos, kurios veda į atomų transformacijas. Pristatykime keletą konvencijų:
Čia X yra simbolis cheminis elementas(kaip ir periodinėje lentelėje), Z – izotopo branduolio krūvio skaičius, A – izotopo branduolio masės skaičius.
Branduolinio užtaiso numeris yra protonų skaičius branduolyje, lygus elemento skaičiui periodinėje lentelėje. Branduolio masės skaičius yra nukleonų (protonų ir neutronų), patenkančių į branduolį, skaičius. Įkrovos ir masės skaičiai – fiziniai kiekiai, kurios nesutampa su branduolio krūviu ir mase.
Pavyzdžiui, simbolis reiškia, kad šio anglies atomo branduolio krūvio skaičius yra 6 ir masės skaičius 12. Yra ir kitų izotopų anglies, pavyzdžiui. Tokio izotopo branduolyje yra dar vienas neutronas tam pačiam protonų skaičiui (palyginkite paveikslus).
Pirmoji Rutherfordo laboratorinė branduolinė reakcija vyko taip:
Azoto atomo branduolys sąveikavo su a-dalele (helio atomo branduoliu). Taip susidarė fluoro branduolys, nestabilus tarpinis reakcijos produktas. Ir tada iš jo susidarė deguonies ir vandenilio branduoliai, tai yra, tai įvyko vieno cheminio elemento pavertimas kitu.
Remiantis šio tyrimo rezultatais branduolinė reakcija Padarykime tokią lentelę.
Iš lentelės elementų palyginimo matyti, kad masės skaičių sumos, taip pat krūvių skaičių sumos prieš ir po branduolinės reakcijos yra poromis lygios. Eksperimentai rodo, kad visiems branduolinės reakcijos bėgimas krūvio ir masės skaičių likimo dėsnis: dalelių krūvių ir masės skaičių sumos prieš ir po branduolinės reakcijos yra lygios poromis.
Dauguma branduolinių reakcijų baigiasi susidarius naujiems branduoliams. Tačiau yra reakcijų, kurių produktai sukelia naujas branduolines reakcijas, vadinamas branduolinės grandininės reakcijos. Pavyzdys yra urano-235 branduolių dalijimosi reakcija (žr. pav.). Kai neutronas patenka į urano branduolį, jis skyla į du kitus branduolius ir 2-3 naujus neutronus. Šie neutronai pataikė į kitus urano branduolius ir grandininė reakcija tęsiasi. Ši situacija yra ideali. Tiesą sakant, daugelis pagamintų neutronų išskrenda iš medžiagos, todėl uranas jų negali absorbuoti.
Tačiau kai aukštas laipsnis urano grynumo, tai yra, kai jis yra didelis masės dalis o taip pat dėl kompaktiško išdėstymo padidėja gretimo branduolio neutronų gaudymo tikimybė. Minimalus svoris radioaktyvioji medžiaga kurioje vyksta grandininė reakcija vadinama kritinė masė. Gryno urano-235 atveju tai yra kelios dešimtys kilogramų. Labai greitai įvyksta nekontroliuojama grandininė reakcija, dėl kurios įvyksta sprogimas. Jo naudojimui taikiems tikslams būtina, kad reakcija būtų kontroliuojama, o tai pasiekiama specialiu prietaisu - branduolinis reaktorius(žr. § 15).
Branduolinės reakcijos gamtoje yra labai dažnos. Pavyzdžiui, daugiau nei pusė periodinės lentelės elementų turi radioaktyvieji izotopai.
Reliatyvumo teorija teigia, kad masė yra ypatinga forma energijos. Iš to išplaukia, kad galima masę paversti energija, o energiją – mase. Intraatominiame lygmenyje tokios reakcijos vyksta. Visų pirma, tam tikras masės kiekis gali būti paverstas energija. Tai nutinka keliais būdais. Pirma, branduolys gali suirti į daugybę mažesnių branduolių, o tai vadinama „skilimu“. Antra, mažesni branduoliai gali lengvai susijungti ir sudaryti didesnį – tai sintezės reakcija. Tokios reakcijos Visatoje yra labai dažnos. Pakanka pasakyti, kad sintezės reakcija yra žvaigždžių energijos šaltinis. Tačiau skilimo reakcija žmonija naudojasi, nes žmonės išmoko tai kontroliuoti sudėtingus procesus. Bet kas yra branduolinė grandininė reakcija? Kaip tai valdyti?
Kas vyksta atomo branduolyje
Branduolinė grandininė reakcija yra procesas, vykstantis elementarioms dalelėms ar branduoliams susidūrus su kitais branduoliais. Kodėl "grandinė"? Tai nuoseklių pavienių branduolinių reakcijų rinkinys. Dėl šio proceso pasikeičia pradinio branduolio kvantinė būsena ir nukleoninė sudėtis, atsiranda net naujų dalelių – reakcijos produktų. Branduolinė grandininė reakcija, kurios fizika leidžia ištirti branduolių sąveikos su branduoliais ir dalelėmis mechanizmus, yra pagrindinis būdas gauti naujų elementų ir izotopų. Norėdami suprasti grandininės reakcijos eigą, pirmiausia turite susidoroti su pavieniais.
Ko reikia reakcijai
Norint atlikti tokį procesą kaip grandininė branduolinė reakcija, daleles (branduolį ir nukleoną, du branduolius) reikia priartinti prie spindulio atstumo. stipri sąveika(apie vieną fermį). Jei atstumai dideli, tada įkrautų dalelių sąveika bus grynai kuloninė. Branduolinėje reakcijoje laikomasi visų dėsnių: energijos tvermės, impulso, impulso, bariono krūvio. Branduolinė grandininė reakcija žymima simboliais a, b, c, d. Simbolis a žymi pradinį branduolį, b – įeinančią dalelę, c – naują išspinduliuotą dalelę, o d – gautą branduolį.
Reakcijos energija
Branduolinė grandininė reakcija gali vykti ir absorbuojant, ir išskiriant energiją, kuri yra lygi dalelių masių skirtumui po reakcijos ir prieš ją. Sugerta energija lemia minimalią susidūrimo kinetinę energiją, vadinamąjį branduolinės reakcijos slenkstį, prie kurio jis gali laisvai vykti. Šis slenkstis priklauso nuo sąveikoje dalyvaujančių dalelių ir jų savybių. Įjungta pradinis etapas visos dalelės yra iš anksto nustatytoje kvantinėje būsenoje.
Vykdydami reakciją
Pagrindinis įkrautų dalelių, kuriomis bombarduojamas branduolys, šaltinis yra protonų, sunkiųjų jonų ir lengvųjų branduolių pluoštai. Lėti neutronai gaminami naudojant branduolinius reaktorius. Įeinančioms įkrautoms dalelėms užfiksuoti galima naudoti skirtingų tipų branduolinės reakcijos – ir sintezė, ir skilimas. Jų tikimybė priklauso nuo susidūrusių dalelių parametrų. Ši tikimybė siejama su tokia charakteristika kaip reakcijos skerspjūvis – efektyviojo ploto vertė, apibūdinanti branduolį kaip krintančių dalelių taikinį ir kuri yra dalelės ir branduolio sąveikos tikimybės matas. Jei reakcijoje dalyvauja dalelės, kurių sukimosi vertė yra ne nulinė, tada skerspjūvis tiesiogiai priklauso nuo jų orientacijos. Kadangi krintančių dalelių sukiniai nėra visiškai chaotiškai orientuoti, o daugiau ar mažiau tvarkingi, visi korpusai bus poliarizuoti. Kiekybinės charakteristikos orientuoti pluošto sukiniai apibūdinami poliarizacijos vektoriumi.
Reakcijos mechanizmas
Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Kaip jau minėta, ši seka yra daugiau paprastos reakcijos. Kritančios dalelės charakteristikos ir jos sąveika su branduoliu priklauso nuo masės, krūvio ir kinetinės energijos. Sąveiką lemia branduolių, kurie sužadinami susidūrimo metu, laisvės laipsnis. Įgijus visų šių mechanizmų kontrolę, vyksta toks procesas kaip kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija.
Tiesioginės reakcijos
Jei įkrauta dalelė, atsitrenkusi į tikslinį branduolį, ją tik paliečia, tada susidūrimo trukmė bus lygi tam, kurios reikia branduolio spinduliui padengti. Ši branduolinė reakcija vadinama tiesiogine. Bendrosios charakteristikos visoms tokio tipo reakcijoms yra nedidelio skaičiaus laisvės laipsnių sužadinimas. Tokiame procese po pirmojo susidūrimo dalelė dar turi pakankamai energijos, kad įveiktų branduolinę trauką. Pavyzdžiui, sąveika, tokia kaip neelastinga neutronų sklaida ir krūvių mainai, yra klasifikuojamos kaip tiesioginės. Tokių procesų indėlis į charakteristiką, vadinamą „bendras skerspjūvis“, yra gana nereikšmingas. Tačiau tiesioginės branduolinės reakcijos produktų pasiskirstymas leidžia nustatyti ištrūkimo iš pluošto krypties kampo tikimybę, apgyvendintų būsenų selektyvumą, nustatyti jų struktūrą.
Išmetimas prieš pusiausvyrą
Jei dalelė nepalieka zonos branduolinė sąveika po pirmojo susidūrimo jis pateks į visą nuoseklių susidūrimų kaskadą. Tai iš tikrųjų yra vadinama branduoline grandinine reakcija. Dėl šios situacijos dalelės kinetinė energija pasiskirsto tarp sudedamųjų branduolio dalių. Pačios branduolio būklė palaipsniui taps daug sudėtingesnė. Šio proceso metu energija, kurios pakanka šiam nukleonui išspinduliuoti iš branduolio, gali būti sutelkta į tam tikrą nukleoną arba visą klasterį (nukleonų grupę). Tolesnis atsipalaidavimas lems statistinės pusiausvyros susidarymą ir junginio branduolio susidarymą.
Grandininės reakcijos
Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Tai jos seka komponentai. Tai yra, kelios nuoseklios vienos branduolinės reakcijos, kurias sukelia įkrautos dalelės, ankstesniuose etapuose pasirodo kaip reakcijos produktai. Kas yra branduolinė grandininė reakcija? Pavyzdžiui, sunkiųjų branduolių dalijimasis, kai daugybinius dalijimosi įvykius inicijuoja neutronai, gauti iš ankstesnių skilimų.
Branduolinės grandininės reakcijos ypatybės
Tarp visų cheminės reakcijos plačiai paplitęs Gavome grandines. Dalelės su nepanaudotomis jungtimis veikia kaip laisvieji atomai arba radikalai. Tokiame procese kaip branduolinė grandininė reakcija, jos atsiradimo mechanizmą užtikrina neutronai, kurie neturi Kulono barjero ir sužadina branduolį absorbuodami. Jei reikiama dalelė atsiranda terpėje, tai sukelia vėlesnių transformacijų grandinę, kuri tęsis tol, kol grandinė nutrūks dėl nešančiosios dalelės praradimo.
Kodėl dingo žiniasklaida?
Yra tik dvi nešiklio dalelės praradimo priežastys nuolatinėje reakcijų grandinėje. Pirmasis yra dalelės sugertis be antrinės išskyrimo proceso. Antrasis – dalelės išėjimas už grandinės procesą palaikančios medžiagos tūrio ribos.
Dviejų tipų procesas
Jei kiekviename grandininės reakcijos periode gimsta išskirtinai viena nešiklio dalelė, tai šis procesas gali būti vadinamas nešakotu. Tai negali sukelti energijos išleidimo į dideliu mastu. Jei atsiranda daug nešiklio dalelių, tai vadinama šakota reakcija. Kas yra išsišakojusi branduolinė grandininė reakcija? Viena iš antrinių dalelių, gautų ankstesniame veiksme, tęs anksčiau pradėtą grandinę, tačiau kitos sukurs naujas reakcijas, kurios taip pat išsišakos. Procesai, vedantys į pertrauką, konkuruos su šiuo procesu. Susidariusi situacija sukels specifinius kritinius ir ribojančius reiškinius. Pavyzdžiui, jei yra daugiau pertraukų nei grynai naujų grandinių, tada savaiminis reakcijos išsilaikymas bus neįmanomas. Net jei jį dirbtinai sužadini įvesdamas duota aplinka reikiamo dalelių skaičiaus, procesas laikui bėgant vis tiek suyra (dažniausiai gana greitai). Jei naujų grandinių skaičius viršija pertraukų skaičių, tada branduolinė grandininė reakcija pradės plisti po visą medžiagą.
Kritinė būklė
Kritinė būsena atskiria medžiagos būsenos sritį, kurioje išsivysčiusi savaiminė grandininė reakcija, ir sritį, kurioje ši reakcija apskritai neįmanoma. Šiam parametrui būdinga lygybė tarp naujų grandinių skaičiaus ir galimų pertraukų skaičiaus. Kaip ir laisvos nešiklio dalelės, kritinė būsena yra pagrindinis tokio sąrašo elementas kaip „branduolinės grandininės reakcijos sąlygos“. Šios būsenos pasiekimą gali lemti daugybė galimų veiksnių. Sunkiojo elemento sužadina tik vienas neutronas. Dėl tokio proceso kaip branduolio dalijimosi grandininė reakcija, daugiau neutronų. Vadinasi, šis procesas gali sukelti šakotą reakciją, kurioje neutronai veikia kaip nešikliai. Tuo atveju, kai neutronų pagavimo greitis be dalijimosi ar emisijos (praradimo greitis) kompensuojamas nešiklio dalelių dauginimosi greičiu, grandininė reakcija vyks stacionariu režimu. Ši lygybė apibūdina reprodukcijos koeficientą. Aukščiau nurodytu atveju jis lygus vienam. Dėl įvado tarp energijos išsiskyrimo greičio ir dauginimo koeficiento galima kontroliuoti branduolinės reakcijos eigą. Jei šis koeficientas yra didesnis nei vienas, tada reakcija vystysis eksponentiškai. Branduoliniuose ginkluose naudojamos nekontroliuojamos grandininės reakcijos.
Branduolinė grandininė reakcija energetikoje
Nustatomas reaktoriaus reaktyvumas didelis skaičius procesai, vykstantys jo aktyvioje zonoje. Visas šias įtakas lemia vadinamasis reaktyvumo koeficientas. Grafito strypų, aušinimo skysčių ar urano temperatūros pokyčių poveikis reaktoriaus reaktyvumui ir proceso, pavyzdžiui, branduolinės grandininės reakcijos, intensyvumui apibūdinamas temperatūros koeficientas(aušinimo skysčiui, uranui, grafitui). Taip pat yra priklausomos galios, barometrinių ir garų indikatorių charakteristikos. Norint palaikyti branduolinę reakciją reaktoriuje, vienus elementus reikia paversti kitais. Norėdami tai padaryti, būtina atsižvelgti į branduolinės grandininės reakcijos atsiradimo sąlygas - buvimą medžiagos, kuri skilimo metu gali pasidalyti ir išskirti iš savęs tam tikrą skaičių elementariųjų dalelių, kurios dėl to , sukels kitų branduolių skilimą. Uranas-238, uranas-235 ir plutonis-239 dažnai naudojami kaip tokios medžiagos. Branduolinės grandininės reakcijos metu šių elementų izotopai suirs ir sudarys du ar daugiau kitų cheminių medžiagų. Šio proceso metu skleidžiami vadinamieji „gama“ spinduliai, intensyviai išsiskiria energija, susidaro du ar trys neutronai, galintys tęsti reakcijos veiksmus. Yra lėti ir greiti neutronai, nes tam, kad atomo branduolys suirtų, šios dalelės turi skristi tam tikru greičiu.
Ilgą laiką žmogų persekiojo svajonės apie elementų tarpusavio virsmą – tiksliau, apie skirtingų metalų virsmą į vieną. Suvokus šių bandymų beprasmiškumą, susiformavo požiūris į cheminių elementų neliečiamumą. Ir tik branduolio struktūros atradimas XX amžiaus pradžioje parodė, kad elementų transformacija vienas į kitą yra įmanoma, bet ne cheminiai metodai, tai yra poveikis išoriniams elektroniniai apvalkalai atomų, bet trukdydami struktūrai atomo branduolys. Šis reiškinys (ir kai kurie kiti) yra susijęs su branduolinėmis reakcijomis, kurių pavyzdžiai bus aptarti toliau. Tačiau pirmiausia turime prisiminti keletą pagrindinių sąvokų, kurių prireiks šios diskusijos metu.
Bendra branduolinių reakcijų samprata
Pasitaiko reiškinių, kai vieno ar kito elemento atomo branduolys sąveikauja su kitu branduoliu ar kokia nors elementaria dalele, tai yra keičiasi su jais energija ir impulsu. Tokie procesai vadinami branduolinėmis reakcijomis. Jų rezultatas gali būti branduolio sudėties pasikeitimas arba naujų branduolių susidarymas, kai išsiskiria tam tikros dalelės. Tokiu atveju galimos šios parinktys:
- vieno cheminio elemento pavertimas kitu;
- sintezė, tai yra branduolių susiliejimas, kuriame susidaro sunkesnio elemento branduolys.
Pradinė reakcijos fazė, nulemta į ją patenkančių dalelių tipo ir būsenos, vadinama įėjimo kanalu. Išvesties kanalai yra galimi būdai pagal kurią vyks reakcija.
Branduolinių reakcijų registravimo taisyklės
Toliau pateikti pavyzdžiai parodo metodus, kuriais įprasta aprašyti reakcijas, kuriose dalyvauja branduoliai ir elementarios dalelės.
Pirmasis metodas yra toks pat kaip ir chemijoje: pradinės dalelės dedamos kairėje pusėje, o reakcijos produktai – dešinėje. Pavyzdžiui, berilio-9 branduolio sąveika su krintančiomis alfa dalelėmis (vadinamoji neutronų atradimo reakcija) parašyta taip:
9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.
Viršutiniai indeksai rodo nukleonų skaičių, tai yra, branduolių masės skaičius, apatiniai indeksai rodo protonų skaičių, tai yra atominius skaičius. Kairėje ir dešinėje pusių sumos turi sutapti.
Trumpasis branduolinių reakcijų lygčių rašymo būdas, dažnai naudojamas fizikoje, atrodo taip:
9 4 Būkite (α, n) 12 6 C.
Bendra šio žymėjimo forma yra: A (a, b 1 b 2 ...) B. Čia A yra tikslinis branduolys; a – krintanti dalelė arba branduolys; b 1, b 2 ir tt yra lengvi reakcijos produktai; B yra paskutinė šerdis.
Branduolinių reakcijų energija
Branduolinėse transformacijose įvykdomas energijos tvermės dėsnis (kartu su kitais tvermės dėsniais). Tokiu atveju dalelių kinetinė energija reakcijos įėjimo ir išėjimo kanaluose gali skirtis dėl likusios energijos pokyčių. Kadangi pastaroji yra lygi dalelių masei, masės taip pat skirsis prieš ir po reakcijos. Bet visos energijos sistema visada išsaugoma.
Ramybės energijos skirtumas tarp dalelių, patenkančių į reakciją ir išeinančių iš jos, vadinamas energijos išeiga ir išreiškiamas jų kinetinės energijos pokyčiu.
Procesuose, kuriuose dalyvauja branduoliai, dalyvauja trys tipai esminės sąveikos- elektromagnetinis, silpnas ir stiprus. Pastarosios dėka branduolys turi tokią svarbią savybę, kaip didelė rišamoji energija tarp jį sudarančių dalelių. Jis yra žymiai didesnis nei, pavyzdžiui, tarp šerdies ir atominiai elektronai arba tarp atomų molekulėse. Tai liudija pastebimas masės defektas – skirtumas tarp nukleonų masių sumos ir branduolio masės, kuri visada yra mažesnė už kiekį proporcinga energijai jungtis: Δm = E St /c 2. Masės defektas apskaičiuojamas naudojant paprastą formulę Δm = Zm p + Am n - M i, kur Z yra branduolio krūvis, A yra masės skaičius, m p yra protono masė (1,00728 amu), m n yra neutrono masė ( 1,00866). amu), M i - šerdies masė.
Apibūdinant branduolines reakcijas, vartojama specifinės surišimo energijos sąvoka (tai yra vienam nukleonui: Δmc 2 /A).
Energijos ir branduolinio stabilumo susiejimas
Didžiausias stabilumas, tai yra aukščiausias specifinė energija ryšiai, branduoliai, kurių masės skaičius nuo 50 iki 90, pavyzdžiui, geležis, skiriasi. Šis „piko stabilumas“ atsiranda dėl necentrinio branduolinių jėgų pobūdžio. Kadangi kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su savo kaimynais, branduolio paviršiuje jis rišasi silpniau nei viduje. Kuo mažiau branduolyje sąveikaujančių nukleonų, tuo mažesnė surišimo energija, todėl lengvieji branduoliai yra mažiau stabilūs. Savo ruožtu, didėjant dalelių skaičiui branduolyje, didėja Kulono atstūmimo jėgos tarp protonų, todėl mažėja ir sunkiųjų branduolių surišimo energija.
Taigi lengviesiems branduoliams labiausiai tikėtinos, tai yra, energetiškai palankios, yra sintezės reakcijos, kai susidaro stabilus branduolys. vidutinis svoris, sunkiesiems, atvirkščiai, skilimo ir skilimo procesai (dažnai daugiapakopiai), dėl kurių susidaro ir stabilesni produktai. Šioms reakcijoms būdingos teigiamos ir dažnai labai didelės energijos išeiga, kuris lydi surišimo energijos padidėjimą.
Žemiau apžvelgsime keletą branduolinių reakcijų pavyzdžių.
Skilimo reakcijos
Branduoliuose gali atsirasti spontaniškų sudėties ir struktūros pokyčių, kurių metu išsiskiria kai kurios elementarios dalelės arba branduolio fragmentai, pavyzdžiui, alfa dalelės ar sunkesnės sankaupos.
Taigi alfa irimo metu galimas dėl kvantinis tuneliavimas, alfa dalelė įveikia potencialų branduolinių jėgų barjerą ir palieka motininį branduolį, o tai atitinkamai sumažina atominis skaičius 2, o masės skaičius 4. Pavyzdžiui, radžio-226 branduolys, išspinduliuojantis alfa dalelę, virsta radonu-222:
226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).
Radžio-226 branduolio skilimo energija yra apie 4,87 MeV.
Beta skilimas vyksta nesikeičiant nukleonų skaičiui (masės skaičiui), bet padidėjus arba sumažėjus branduolio krūviui 1, išspinduliuojant antineutriną arba neutriną, taip pat elektroną ar pozitroną. Branduolinės reakcijos pavyzdys šio tipo yra fluoro-18 beta plius skilimas. Čia vienas iš branduolio protonų virsta neutronu, išsiskiria pozitronas ir neutrinas, o fluoras virsta deguonimi-18:
18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .
Fluoro-18 beta skilimo energija yra apie 0,63 MeV.
Branduolio dalijimasis
Dalijimosi reakcijos turi daug daugiau energijos. Taip vadinamas procesas, kurio metu branduolys spontaniškai arba priverstinai suyra į panašios masės fragmentus (dažniausiai du, rečiau tris) ir kai kuriuos lengvesnius produktus. Branduolys dalijasi, jei jo potenciali energija viršija pradinę vertę tam tikru dydžiu, vadinamu dalijimosi barjeru. Tačiau net ir sunkiųjų branduolių spontaniško proceso tikimybė yra maža.
Jis žymiai padidėja, kai branduolys gauna atitinkamą energiją iš išorės (kai dalelė atsitrenkia į jį). Neutronas lengviausia prasiskverbia į branduolį, nes jo neveikia elektrostatinės atstūmimo jėgos. Neutrono poveikis sukelia padidėjimą vidinė energija branduolys, jis deformuojamas susidarant susiaurėjimui ir dalijasi. Veikiami fragmentai išskrenda Kulono jėgos. Branduolio dalijimosi reakcijos pavyzdys parodytas uranui-235, sugeriančiame neutroną:
235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.
Skaldymas į barį-144 ir kriptoną-89 yra tik vienas iš galimi variantai urano-235 dalijimasis. Šią reakciją galima parašyti kaip 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, kur 236 92 U* yra labai sužadintas jungtinis branduolys, turintis didelę potencinę energiją. Jo perteklius, kartu su motininių ir dukterinių branduolių rišimosi energijų skirtumais, daugiausia (apie 80%) išsiskiria kaip reakcijos produktų kinetinė energija, taip pat iš dalies. potenciali energija dalijimosi fragmentai. Bendra energija masyviojo branduolio dalijimasis – maždaug 200 MeV. Kalbant apie 1 gramą urano-235 (darant prielaidą, kad sureagavo visi branduoliai), tai sudaro 8,2 ∙ 10 4 megadžaulius.
Grandininės reakcijos
Urano-235, taip pat tokių branduolių kaip uranas-233 ir plutonis-239 dalijimasis pasižymi vienu svarbi savybė- buvimas tarp reakcijos produktų laisvųjų neutronų. Šios dalelės, prasiskverbdamos į kitus branduolius, savo ruožtu gali inicijuoti jų dalijimąsi, vėlgi išskirdamos naujus neutronus ir pan. Šis procesas vadinamas branduoline grandinine reakcija.
Grandininės reakcijos eiga priklauso nuo to, kaip kitos kartos išmestų neutronų skaičius lyginamas su jų skaičiumi ankstesnėje kartoje. Šis santykis k = N i /N i -1 (čia N yra dalelių skaičius, i yra serijos numeris kartos) vadinamas neutronų dauginimo koeficientu. Prie k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 neutronų, taigi ir skiliųjų branduolių, skaičius didėja kaip lavina. Tokio tipo branduolinės grandininės reakcijos pavyzdys yra atominės bombos sprogimas. Kai k = 1, procesas vyksta stacionariai, kaip rodo reakcija, valdoma naudojant neutronus sugeriančius strypus. branduoliniai reaktoriai.
Branduolinė sintezė
Didžiausias energijos išsiskyrimas (vienam nukleonui) vyksta lengvųjų branduolių sintezės metu – vadinamosios sintezės reakcijos. Kad pradėtų reakciją, teigiamai įkrauti branduoliai turi įveikti Kulono barjerą ir priartėti stiprios sąveikos atstumu, neviršijančiu paties branduolio dydžio. Todėl jie turi būti itin dideli kinetinė energija, o tai reiškia aukštą temperatūrą (dešimtys milijonų laipsnių ir daugiau). Dėl šios priežasties sintezės reakcijos dar vadinamos termobranduolinėmis reakcijomis.
Branduolinės sintezės reakcijos pavyzdys yra helio-4 susidarymas, kai deuterio ir tričio branduolių sintezės metu išsiskiria neutronas:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.
Čia išsiskiria 17,6 MeV energija, kuri vienam nukleonui yra daugiau nei 3 kartus didesnė už urano dalijimosi energiją. Iš jų 14,1 MeV yra neutrono kinetinė energija, o 3,5 MeV yra helio-4 branduolio kinetinė energija. Tokia reikšminga vertė susidaro dėl didžiulio deuterio (2,2246 MeV) ir tričio (8,4819 MeV) ir helio-4 (28,2956 MeV) branduolių rišimo energijų skirtumo.
Branduolio dalijimosi reakcijose išsiskiria elektrinio atstūmimo energija, o sintezėje energija išsiskiria dėl stiprios sąveikos – galingiausios gamtoje. Tai lemia tokį reikšmingą šio tipo branduolinių reakcijų energijos išeigą.
Problemų sprendimo pavyzdžiai
Apsvarstykite dalijimosi reakciją 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Kokia jo energija? IN bendras vaizdas jos apskaičiavimo formulė, atspindinti dalelių poilsio energijos skirtumą prieš ir po reakcijos, yra tokia:
Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + ...) ∙ c 2.
Užuot padauginę iš šviesos greičio kvadrato, masės skirtumą galite padauginti iš 931,5, kad gautumėte energijos vertę megaelektronvoltais. Atitinkamų verčių pakeitimas formulėje atominės masės, gauname:
Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 MeV.
Kitas pavyzdys yra sintezės reakcija. Tai vienas iš protonų-protonų ciklo etapų – pagrindinis saulės energijos šaltinis.
3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.
Taikykime tą pačią formulę:
Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 MeV.
Pagrindinė šios energijos dalis – 12,8 MeV – gaunama per šiuo atveju vienam gama fotonui.
Mes nagrinėjome tik paprasčiausius branduolinių reakcijų pavyzdžius. Šių procesų fizika yra labai sudėtinga. Branduolinių reakcijų tyrimas ir taikymas turi puiki vertė kaip ir praktinė sritis(energetika) ir fundamentiniame moksle.
Ir galimybė naudotis branduolinė energija, kaip ir kūryboje ( branduolinė energija), ir destruktyvus ( atominė bomba) tikslai tapo, ko gero, vienu reikšmingiausių praėjusio XX amžiaus išradimų. Na, visos tos didžiulės galios, slypinčios mažyčio atomo gelmėse, esmė yra branduolinės reakcijos.
Kas yra branduolinės reakcijos
Branduolinės reakcijos fizikoje reiškia atomo branduolio sąveikos su kitu panašiu branduoliu arba su skirtingomis elementariomis dalelėmis procesą, dėl kurio pasikeičia branduolio sudėtis ir struktūra.
Šiek tiek branduolinių reakcijų istorijos
Pirmąją branduolinę reakciją istorijoje padarė didysis mokslininkas Rutherfordas dar 1919 m., atlikdamas eksperimentus, siekdamas aptikti protonus branduolinio skilimo produktuose. Mokslininkas azoto atomus bombardavo alfa dalelėmis, o dalelėms susidūrus įvyko branduolinė reakcija.
Ir štai kaip atrodė šios branduolinės reakcijos lygtis. Tai buvo Rutherfordas, kuriam buvo priskiriama branduolinių reakcijų atradimas.
Po to mokslininkai atliko daugybę eksperimentų įvairių tipų Pavyzdžiui, branduolinės reakcijos, labai įdomi ir reikšminga mokslui buvo branduolinė reakcija, sukelta atominių branduolių bombardavimo neutronais, kurią įvykdė iškilus italų fizikas E. Fermi. Visų pirma, Fermi atrado, kad branduolinės transformacijos gali būti sukeltos ne tik greitieji neutronai, bet ir lėti, kurios juda šiluminiu greičiu. Beje, branduolinės reakcijos, kurias sukelia temperatūros poveikis, vadinamos termobranduolinėmis reakcijomis. Kalbant apie branduolines reakcijas, veikiamas neutronų, jos labai greitai išsivystė moksle, o kokios reakcijos, skaitykite apie tai.
Tipinė branduolinės reakcijos formulė.
Kokios branduolinės reakcijos egzistuoja fizikoje?
Apskritai šiandien žinomas branduolines reakcijas galima suskirstyti į:
- atomų branduolių dalijimasis
- termobranduolinės reakcijos
Žemiau mes išsamiai parašysime apie kiekvieną iš jų.
Branduolio dalijimasis
Atominių branduolių dalijimosi reakcija apima tikrojo atomo branduolio suskaidymą į dvi dalis. 1939 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas ir F. Strassmannas atrado atomų branduolių dalijimąsi, tęsdami savo pirmtakų mokslinius tyrimus, nustatė, kad uraną bombarduojant neutronais, atsiranda vidurinės dalies elementai. periodinė lentelė Mendelejevas, būtent radioaktyvieji bario, kriptono ir kai kurių kitų elementų izotopai. Deja, šios žinios iš pradžių buvo panaudotos siaubingiems, destruktyviems tikslams, kaip antrosios pasaulinis karas ir vokiečių, o kita vertus, amerikiečių ir sovietų mokslininkai lenktyniavo tobulėti branduoliniai ginklai(kuri buvo pagrįsta urano branduoline reakcija), kuri baigėsi liūdnai pagarsėjusia „ branduoliniai grybai» baigtas Japonijos miestai Hirosima ir Nagasakis.
Tačiau grįžtant prie fizikos, urano branduolinė reakcija skylant jo branduoliui turi tiesiog milžinišką energiją, kurią mokslas sugebėjo panaudoti. Kaip atsiranda tokia branduolinė reakcija? Kaip rašėme aukščiau, tai įvyksta neutronais bombarduojant urano atomo branduolį, dėl kurio branduolys suskaidomas ir susidaro didžiulė 200 MeV kinetinė energija. Tačiau įdomiausia yra tai, kad kaip urano branduolio branduolio dalijimosi reakcijos produktas susidūrus su neutronu atsiranda keletas laisvų naujų neutronų, kurie savo ruožtu susiduria su naujais branduoliais, juos suskaido ir pan. Dėl to neutronų yra dar daugiau ir dar daugiau urano branduolių skyla susidūrus su jais – įvyksta tikra branduolinė grandininė reakcija.
Taip atrodo diagramoje.
Šiuo atveju neutronų dauginimo koeficientas turi būti didesnis už vienetą, tai yra būtina sąlygašio tipo branduolinė reakcija. Kitaip tariant, kiekvienoje paskesnėje neutronų kartoje, susidariusioje po branduolių skilimo, jų turėtų būti daugiau nei ankstesnėje.
Verta paminėti, kad pagal panašų principą branduolinės reakcijos bombardavimo metu gali vykti ir dalijantis kai kurių kitų elementų atomų branduoliams, su niuansais, kad branduolius gali bombarduoti įvairios elementarios dalelės, tokių branduolinių reakcijų produktai skirsis, todėl galime juos išsamiau aprašyti, mums reikia visos mokslinės monografijos
Termobranduolinės reakcijos
Termobranduolinės reakcijos yra pagrįstos sintezės reakcijomis, tai yra, iš tikrųjų vyksta skilimui priešingas procesas, atomų branduoliai neskyla į dalis, o susilieja vienas su kitu. Tai taip pat išskiria daug energijos.
Termobranduolinės reakcijos, kaip rodo pavadinimas (termotemperatūra), gali vykti tik labai aukšta temperatūra. Juk tam, kad susijungtų du atomo branduoliai, jie turi labai priartėti artimas atstumas vienas kitam, įveikiant jų teigiamų krūvių elektrinį atstūmimą, tai įmanoma esant didelei kinetinei energijai, kuri, savo ruožtu, įmanoma esant aukštai temperatūrai. Reikėtų pažymėti, kad vandenilio termobranduolinės reakcijos nevyksta ne tik ant jo, bet ir ant kitų žvaigždžių, netgi galima sakyti, kad tai yra bet kurios žvaigždės prigimties pagrindas.
Branduolinės reakcijos, video
Ir galiausiai mokomasis vaizdo įrašas mūsų straipsnio tema - branduolinės reakcijos.
Nestabilių nuklidų branduolių savaiminio skilimo reiškinys, dėl kurio susidaro vieno ar daugiau naujo nuklido branduoliai, lydimas jonizuojanti spinduliuotė, vadinamas radioaktyvumu. Radioaktyvumą 1896 m. atrado Bekerelis. Visi nuklidai yra radioaktyvūs sunkūs elementai pabaiga Periodinė lentelė, pradedant poloniu (86 Po), ir visi nuklidai, dirbtinai gauti dėl branduolinių reakcijų. Radionuklidų stabilumą apibūdina jų pusinės eliminacijos laikas: laikas, per kurį suyra pusė pradinių branduolių. Ji svyruoja nuo šimtų milijonų metų iki nereikšmingų akcijų sekundžių.
Galima išskirti šiuos pagrindinius jonizuojančiosios spinduliuotės tipus.
1. Teigiamai įkrautų helio atomų branduolių emisija 4 2 He, vadinamos a-dalelėmis. Jie turi mažą prasiskverbimo gebą (sugeria kelių centimetrų storio oro sluoksnio, popieriaus lapo ir kt.), tačiau pasižymi labai dideliu jonizuojančiu gebėjimu. Kaip išorinių šaltinių a-spinduliuotojai nėra pavojingi, tačiau jų prasiskverbimas į organizmus yra labai pavojingas.
Šis tipas radioaktyvioji spinduliuotė būdingas sunkiųjų elementų branduoliams. Šiuo atveju pradinio branduolio krūvis Z sumažėja 2 vienetais, o masės skaičius A - 4 vienetais, t.y. susidaro elemento nuklidas, periodinėje lentelėje pasislinkęs dviem ląstelėmis į kairę nuo pradinio radioaktyvusis elementas, kurių masės skaičius mažesnis nei 4 vienetai ( taisyklė a-radioaktyvus poslinkis Soddy - Fajansas)
Pavyzdžiui:
2. Elektronų emisija e(), nešantis neigiamas krūvis ir vadinamos (3 dalelės. Jos turi didesnę skvarbumą nei a dalelės, bet mažesnę jonizaciją. Išspinduliuojant (3 dalelės) branduolio krūvis padidėja vienu, bet masės skaičius nekinta, t.y. nuklidas elemento, perkelto periodinėje lentelėje, viena ląstelė į dešinę nuo pradinio radioaktyvaus elemento, kurio masės numeris yra toks pat ( taisyklė (3-radioaktyvus Soddy poslinkis - Fajansas):
Pavyzdžiui:
(3 spinduliuotė būdinga radionuklidams, kuriuose yra perteklinis neutronų skaičius, palyginti su stabiliais branduoliais.
Tokios spinduliuotės rūšimi galima laikyti elektronų antidalelių srautą - pozitronus e + ( ^e), kurių masė tokia pati kaip elektrono, bet teigiamas krūvis((3 + dalelės). Išspinduliuojant P + dalelei, branduolio krūvis sumažėja vienu, bet masės skaičius nekinta:
Pavyzdžiui:
K gaudymas – elektrono gaudymas branduolyje iš arčiausiai jam esančio kvantinio K lygio – duoda panašių rezultatų:
p + -spinduliavimas ir K gaudymas būdingi radionuklidams, kuriuose yra santykinai perteklinis protonų skaičius. (P + - ir p skilimo metu specialios neutralios dalelės taip pat išsiskiria nežymiai lengvas svoris- neutrino o ir antineutrino o; jos paprastai neįtraukiamos į branduolinių reakcijų lygtis.)
- 3. Kietos trumposios bangos elektromagnetinė spinduliuotė kurių bangos ilgis yra trumpesnis nei rentgeno spindulių, kurie lydi daugelį branduolinių transformacijų, vadinamų y spinduliuote. Jis nenukrypsta elektros ir magnetiniai laukai ir pasižymi dideliu skvarbumu. Branduolio krūvis ir masės skaičius y spinduliavimo metu nesikeičia. Cheminis elementas nevirsta kitu. y spinduliuotę sukelia radionuklidų branduolių perėjimas iš sužadintos į mažiau sužadintą arba stacionarią būseną.
- 4. Neutronų spinduliuotė (J n), dažnai susidaro dėl branduolinių reakcijų, ypač dėl atomų branduolių dalijimosi reakcijų. Dėl įkrovos trūkumo ir didelės masės jis turi didelę prasiskverbimo galią ir gebėjimą inicijuoti branduolines reakcijas (sukeltas radioaktyvumas).
Branduolinės reakcijos - Tai yra nuklidų branduolių transformacijos. Radioaktyvumas yra ypatingas atvejis savaiminio skilimo branduolinės reakcijos.
Kiti branduolinių reakcijų tipai atsiranda, kai nuklidų branduoliai sąveikauja su elementariosios dalelės, lengvesni branduoliai, y kvantai. Paprastai tokiai sąveikai užkertamas kelias reikšmingas potencialus barjeras. Jis įveikiamas bombarduojant taikinį lengvesnėmis dalelėmis, turinčiomis didelę kinetinę energiją iš medžiagos, kurioje yra sunkesnio nuklido branduoliai. Įkrautos bombarduojančios dalelės pagreitinamos greitintuvuose, pavyzdžiui, sinchrofasotronuose. Hadronų greitintuvuose (nuo susidurti - susiduria) du sunkiųjų nuklidų branduolių (andronų) srautai pagreitinami į priešingomis kryptimis ir susidurti tam tikroje srityje. Priima elektra neįkrautus neutronus didelė energija branduoliniuose reaktoriuose (greitieji neutronai).
Pirmąją dirbtinę branduolinę reakciją Rutherfordas atliko 1919 m., bombarduodamas nuklidą azotą-14 helio-4 branduoliais (a-dalelėmis):
IN branduolinė fizika dažniau vartojama sutrumpinta žymėjimo forma: ^Na(a,/>) "O. Tai branduolių mainų reakcijos pavyzdys. Kitų tipų mainų reakcijų pavyzdžiai:
Daugelis dirbtinių periodinės lentelės elementų, kurių nėra gamtoje, buvo gauti pagal mainų reakcijų tipą. Šiuo atveju taikinys, pagamintas iš gana stabilaus ir prieinamo sunkaus nuklido, yra bombarduojamas kito nuklido branduoliais. Pavyzdžiui, kalifornis buvo gautas bombarduojant samariumą helio branduoliais: 2 9bCsh (a, «) 2 9gCf, o bohris 2 Jj 2 Bh - suliejus bismuto 2 ^Bi ir chromo 26 Cr branduolius.
Reakcija, kurios metu bombarduojanti dalelė (pvz. lėtas neutronas) lieka branduolyje, išskirdamas branduolio sužadinimo energiją y spinduliuotės pavidalu, vadinamas gaudymo reakcija. Pavyzdžiui: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-
Galimas priešingas procesas, vadinamas branduoliniu fotoefektu – y kvanto absorbcija, dėl kurios kai kurie branduolinė dalelė(dažnai neutronai):
- 93-7,. I 92 7_ I 1
- 40 Zr + y -> 40 Zr + 0 p.
Urano radionuklidai 2 Qi, 2 Qi ir plutonis ^Pu sugeria neutronus ir yra padalinti į du panašios masės „fragmentus“ ir du ar tris neutronus, pavyzdžiui:
Tokios reakcijos vadinamos dalijimosi reakcijos. Išsiskyrę neutronai tam tikromis sąlygomis gali inicijuoti didelis skaičius naujų dalijimosi įvykių, kurie sukels branduolinę grandininę reakciją. Bendra skeveldrų ir neutronų masė (Et y) yra mažesnė nei skiliojo branduolio ( T). Pagal Einšteino lygtį tai atitinka energijos išsiskyrimą:
Vieno branduolio dalijimosi įvykio metu išsiskiria apie 200 MeV; Skilus vienam moliui urano-235 (235 g), išsiskiria milžiniška energija – apie 2 10 10 kJ! (Palyginimui: deginant tą pačią masę metano, CH 4 išsiskiria mažiau nei 1 10 4 kJ.) Nereguliuojama grandininė reakcija sukelia branduolinis sprogimas. Valdoma reakcija yra energijos šaltinis, gaminamas atominėje elektrinėje.
Dviejų lengvųjų branduolių susijungimas į vieną sunkesnį vadinamas reakcija termobranduolinė sintezė. Vykstant tokioms reakcijoms išsiskiria milžiniška energija, nes pradinių branduolių masė mažesnė nei tokios reakcijos produktų branduolių. Pavyzdžiui, tričio (vandenilio-3) ir deuterio (vandenilio-2) reakcijoje:
gaminant vieną helio-4 branduolį išsiskiria 17,6 MeV, o tai atitinka 1,7 10 9 kJ vienam moliui (4,0 g) helio. Masės vienetui tai yra maždaug keturis kartus daugiau nei urano-235 branduolių dalijimasis. Tačiau norint, kad branduoliai susijungtų, būtina įveikti jų Kulono atstūmimo jėgą. Tai galima padaryti padidinus temperatūrą iki šimtų milijonų laipsnių. Ši reakcija vyksta Saulės gelmėse. Pirmą kartą Žemėje spontaniška reakcija termobranduolinė sintezė buvo atlikta vadinamojoje vandenilio bomba, kuriame sprogimo pagalba buvo pasiekta reikiama temperatūra atominė bomba, kuris tarnavo kaip „saugiklis“. Visame pasaulyje intensyviai dirbama siekiant įgyvendinti kontroliuojamą termobranduolinės sintezės reakciją.
