Ir gebėjimas naudoti branduolinę energiją, kaip ir kūryboje ( branduolinė energija), o destruktyvūs (atominės bombos) 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 sąveikos procesą atomo branduolys su kitu panašiu branduoliu arba skirtingomis elementariosiomis dalelėmis, dėl to 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 izotopai baris, kriptonas ir kai kurie kiti elementai. 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 aprašyti plačiau, 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 Oi. Juk tam, kad susijungtų du atomo branduoliai, jie turi labai priartėti artimas atstumas vienas kitam, įveikdami savo elektrinį atstūmimą teigiami krūviai, 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.
Ilgą laiką žmones 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 elektronų apvalkalai atomų, bet trukdydamas atomo branduolio struktūrai. 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:
- sukasi vienas cheminis elementas kitam;
- 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, kaip vyksta reakcijos, kuriose dalyvauja branduoliai ir elementariosios 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
Branduolinių transformacijų metu įvykdomas energijos tvermės dėsnis (kartu su kitais tvermės dėsniais). Tokiu atveju dalelių kinetinė energija reakcijos įėjimo ir išėjimo kanaluose gali skirtis dėl likusios energijos pasikeitimo. Kadangi pastaroji yra lygi dalelių masei, masės taip pat skirsis prieš ir po reakcijos. Tačiau visa sistemos energija visada išsaugoma.
Ramybės energijos skirtumas tarp dalelių, patenkančių į reakciją ir išeinančių iš jos, vadinamas energijos išeiga ir išreiškiamas jų kinetinės energijos pasikeitimu.
Procesuose, kuriuose dalyvauja branduoliai, dalyvauja trys tipai esminės sąveikos- elektromagnetinis, silpnas ir stiprus. Pastarojo dėka branduolys turi tokią svarbią savybę, kaip didelė rišimosi 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 sąvoka specifinė energija ryšių (tai yra, vienam nukleonui: Δmc 2 /A).
Energijos ir branduolinio stabilumo susiejimas
Didžiausią stabilumą, tai yra, didžiausią specifinę surišimo energiją, išskiria branduoliai, kurių masės skaičius yra nuo 50 iki 90, pavyzdžiui, geležis. 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 būdingas teigiamas ir dažnai labai didelis energijos išeiga, kuri lydi rišamosios 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 tunelis, 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 didesnę energiją. 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 deformuojasi 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 grandininė reakcija neveikia. Kai k > 1, neutronų, taigi ir skiliųjų branduolių, skaičius didėja kaip lavina. Tokio tipo branduolinės grandininės reakcijos pavyzdys yra sprogimas atominė bomba. Kai k = 1, procesas vyksta pastovioje būsenoje, kaip rodo reakcija, valdoma neutronus sugeriančiais strypais branduoliniuose reaktoriuose.
Branduolinė sintezė
Didžiausias energijos išsiskyrimas (vienam nukleonui) vyksta lengvųjų branduolių sintezės metu – vadinamosios sintezės reakcijos. Kad reaguotų, teigiamai įkrauti branduoliai turi įveikti Kulono barjerą ir priartėti prie atstumo stipri sąveika, neviršijančios pačios šerdies dydžio. Todėl jie turi turėti itin didelę kinetinę energiją, o tai reiškia aukštą temperatūrą (dešimtis milijonų laipsnių ir aukštesnę). 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 kinetinė energija neutronų ir 3,5 MeV – helio-4 branduoliai. 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 atvejuį gama fotoną.
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.
– branduolio sąveikos su elementariąja dalele ar kitu branduoliu procesas, kurio metu pasikeičia branduolio struktūra ir savybės. Pavyzdžiui, elementariųjų dalelių išskyrimas iš branduolio, jo dalijimasis, didelės energijos fotonų emisija ( gama spinduliai). Vienas iš branduolinių reakcijų rezultatų – formuojasi izotopai, kurių Žemėje natūraliai nėra.
Branduolinės reakcijos gali įvykti, kai atomai yra bombarduojami greitų dalelių ( protonų , neutronų , jonų , alfa dalelių ).
Daugiau naudingos informacijos Autorius skirtingomis temomis- mūsų telerame.
Branduolinės reakcijos
Buvo atlikta viena pirmųjų branduolinių reakcijų, kurias atliko žmonės Rutherfordas V 1919 metų, kad būtų galima aptikti protoną. Tuo metu dar nebuvo žinoma, kad branduolys susideda iš nukleonai (protonų Ir neutronų). Daugelio elementų skilimo metu buvo aptikta dalelė, kuri buvo vandenilio atomo branduolys. Remdamasis eksperimentais, Rutherfordas padarė prielaidą, kad ši dalelė yra visų branduolių dalis.
Ši reakcija tiksliai apibūdina vieną iš mokslininko eksperimentų. Eksperimento metu dujos yra didesnės ( azoto) yra bombarduojamas alfa dalelių (helio branduoliai), kuris, išmušdamas azoto branduolius protonas , paverčia jį deguonies izotopu. Šios reakcijos įrašas atrodo taip:
Sprendžiant problemas, susijusias su branduolinėmis reakcijomis, reikia atsiminti, kad joms vykstant įvykdomos šios sąlygos: klasikiniai dėsniai taupymas: mokestis , kampinis momentas , impulsas Ir energijos .
Taip pat yra bariono krūvio išsaugojimo įstatymas . Tai reiškia, kad reakcijoje dalyvaujančių nukleonų skaičius nesikeičia. Jei pažiūrėtume į reakciją, pamatytume, kad sumos masės skaičiai (numeris aukščiau) ir atominiai skaičiai l (apačioje) dešinėje ir kairėje lygties pusėse yra vienodos.
Beje! Dabar visiems mūsų skaitytojams taikomos nuolaidos 10% ant .
Branduolio savitoji surišimo energija
Kaip žinoma, viena iš pagrindinių jėgų veikia branduolio viduje jo dydžio atstumu. fizinės sąveikos – stipri sąveika . Norint jį įveikti ir „sunaikinti“ šerdį, būtina didelis skaičius energijos.
Branduolinė surišimo energija - minimali energija, reikalinga atomo branduoliui suskaidyti į jį sudarančias elementarias daleles.
Bet kurio atomo branduolio masė yra mažesnė už jį sudarančių dalelių masę. Skirtumas tarp branduolio ir jį sudarančių nukleonų masių vadinamas masės defektas:
Skaičiai Z Ir N yra lengvai nustatomi naudojant periodines lenteles, ir galite perskaityti, kaip tai daroma. Ryšio energija apskaičiuojama pagal formulę:
Branduolinių reakcijų energija
Branduolinės reakcijos lydimas energijos transformacijų. Yra kiekis, vadinamas reakcijos energijos išeiga ir nustatomas pagal formulę
Delta M – masės defektas, bet šiuo atveju tai yra pradinių ir galutinių branduolinės reakcijos produktų masės skirtumas.
Reakcijos gali vykti tiek išleidžiant energiją, tiek ją įsisavinant. Tokios reakcijos vadinamos atitinkamai egzoterminis
Ir endoterminė
.
Kad nutekėtų egzoterminė reakcija
, reikalingas vykdymas kita sąlyga: pradinių produktų kinetinė energija turi būti didesnė už reakcijos metu susidariusių produktų kinetinę energiją.
Endoterminė reakcija galima kada specifinė surišimo energija nukleonų viduje originalūs gaminiai mažesnė specifinė galutinių produktų branduolių surišimo energija.
Branduolinės reakcijos uždavinių sprendimo pavyzdžiai
O dabar pora praktinių pavyzdžių su tirpalu:
Net jei susiduriate su problema su žvaigždute, verta atsiminti, kad neišsprendžiamų problemų nėra. Studentų paslauga padės atlikti bet kokią užduotį.
Izomerinis perėjimas
Branduolinė reakcija- naujų branduolių ar dalelių susidarymo procesas branduolių ar dalelių susidūrimo metu. Branduolinę reakciją pirmą kartą pastebėjo Rutherfordas 1919 m., bombarduodamas azoto atomų branduolius α dalelėmis. Vėliau šio proceso nuotraukos buvo gautos naudojant debesų kamerą.
Pagal sąveikos mechanizmą branduolinės reakcijos skirstomos į du tipus:
- reakcija susidarant junginio branduoliui yra dviejų pakopų procesas, vykstantis esant ne itin didelei susidūrusių dalelių kinetinei energijai (iki maždaug 10 MeV).
- vykstančios tiesioginės branduolinės reakcijos branduolinis laikas reikalingos dalelei pereiti per branduolį. Šis mechanizmas daugiausia pasireiškia esant didelei bombarduojančių dalelių energijai.
Jei po susidūrimo pirminiai branduoliai ir dalelės išsaugomi, o naujų negimsta, tai reakcija yra elastinga sklaida branduolinių jėgų lauke, kurią lydi tik dalelės ir tikslinio branduolio kinetinės energijos ir impulso persiskirstymas. yra vadinamas galimas išsibarstymas .
Branduolinės reakcijos mechanizmai
Sudėtinis branduolys
Sudėtinio branduolio susidarymo reakcijos mechanizmo teoriją 1936 m. sukūrė Nielsas Bohras kartu su branduolio lašelio modelio teorija ir yra pagrindas. šiuolaikinės idėjos apie daugumą branduolinių reakcijų.
Pagal šią teoriją branduolinė reakcija vyksta dviem etapais. Pradžioje pradinės dalelės sudaro tarpinį (sudėtinį) branduolį po to branduolinis laikas, tai yra laikas, reikalingas dalelei pereiti per branduolį, maždaug lygus 10 -23 - 10 -21. Šiuo atveju jungtinis branduolys visada susidaro sužadintoje būsenoje, nes jis turi energijos perteklių, kurį dalelė atneša į branduolį nukleono surišimo energijos pavidalu junginio branduolyje ir dalį jo kinetinės energijos, kuri yra lygi taikinio branduolio su masės skaičiumi ir dalelės sistemos inercijos centre kinetinės energijos sumai.
Sužadinimo energija
Junginio branduolio, susidarančio absorbuojant laisvąjį nukleoną, sužadinimo energija yra lygi nukleono surišimo energijos ir dalies jo kinetinės energijos sumai:
Dažniausiai dėl didelis skirtumas branduolio ir nukleono masėse yra maždaug lygi branduolį bombarduojančio nukleono kinetinei energijai.
Vidutiniškai rišimosi energija yra 8 MeV, kintanti priklausomai nuo susidariusio junginio branduolio savybių, tačiau nurodytam tiksliniam branduoliui ir nukleonui ši vertė yra pastovi. Bombarduojančios dalelės kinetinė energija gali būti bet kokia, pavyzdžiui, sužadinant branduolines reakcijas neutronais, kurių potencialas neturi Kulono barjero, vertė gali būti artima nuliui. Taigi surišimo energija yra mažiausia junginio branduolio sužadinimo energija.
Reakcijos kanalai
Galima atlikti perėjimą į nesužadintą būseną įvairiais būdais, paskambino reakcijos kanalai. Kritančių dalelių ir branduolių tipai ir kvantinė būsena prieš prasidedant reakcijai nustatomi pagal įvesties kanalas reakcijos. Pasibaigus reakcijai, gautos masės visuma reakcijos produktai o jų kvantinės būsenos lemia išvesties kanalas reakcijos. Reakcijai visiškai būdingi įvesties ir išvesties kanalai.
Reakcijos kanalai nepriklauso nuo junginio branduolio susidarymo būdo, o tai galima paaiškinti ilgu junginio branduolio gyvavimo laiku, atrodo, kad „pamiršta“ kaip susidarė, taigi ir junginio branduolio susidarymas ir irimas gali būti laikomas nepriklausomi renginiai. Pavyzdžiui, jis gali būti suformuotas kaip sudėtinis branduolys sužadintoje būsenoje vienoje iš šių reakcijų:
Vėliau, su sąlyga, kad sužadinimo energija yra tokia pati, šis junginio branduolys gali skilti priešingai nei bet kuriai iš šių reakcijų, su tam tikra tikimybe, kuri nepriklauso nuo šio branduolio atsiradimo istorijos. Sudėtinio branduolio susidarymo tikimybė priklauso nuo energijos ir nuo tikslinio branduolio tipo.
Tiesioginės branduolinės reakcijos
Branduolinių reakcijų eiga galima ir per mechanizmą tiesioginė sąveika Iš esmės šis mechanizmas pasireiškia esant labai didelėms bombarduojančių dalelių energijoms, kai branduolio nukleonai gali būti laikomi laisvais. Tiesioginės reakcijos nuo junginio branduolio mechanizmo pirmiausia skiriasi produkto dalelių impulsų vektorių pasiskirstymu, palyginti su bombarduojančių dalelių impulsu. Skirtingai nuo junginio branduolio mechanizmo sferinės simetrijos, tiesioginei sąveikai būdinga vyraujanti reakcijos produktų skrydžio į priekį kryptis, palyginti su krintančių dalelių judėjimo kryptimi. Produkto dalelių energijos pasiskirstymas šiais atvejais taip pat skiriasi. Tiesioginei sąveikai būdingas didelės energijos dalelių perteklius. Susidūrę su branduoliais sudėtingos dalelės(tai yra kiti branduoliai), galimi nukleonų perkėlimo iš branduolio į branduolį procesai arba nukleonų mainai. Tokios reakcijos vyksta nesusidarant junginio branduoliui ir turi visas tiesioginės sąveikos ypatybes.
Branduolinės reakcijos skerspjūvis
Reakcijos tikimybę lemia vadinamoji branduolinis skerspjūvis reakcijos. Laboratorinėje atskaitos sistemoje (kur tikslinis branduolys yra ramybės būsenoje) sąveikos tikimybė per laiko vienetą yra lygi skerspjūvio (išreikšto ploto vienetais) ir krintančių dalelių srauto (išreikšto skaičiumi) sandaugai. dalelių, kertančių ploto vienetą per laiko vienetą). Jeigu vienam įvesties kanalui galima įgyvendinti kelis išėjimo kanalus, tai išėjimo reakcijos kanalų tikimybių santykis lygus jų skerspjūvių santykiui. Branduolinėje fizikoje reakcijos skerspjūviai paprastai išreiškiami specialiais vienetais - tvartais, lygiais 10–24 cm².
Reakcijos išvestis
Vadinamas reakcijos atvejų skaičius, padalytas iš taikinį bombarduojančių dalelių skaičiaus branduolinės reakcijos rezultatas. Ši vertė nustatoma eksperimentiškai kiekybiniai matavimai. Kadangi išeiga yra tiesiogiai susijusi su reakcijos skerspjūviu, išeigos matavimas iš esmės yra reakcijos skerspjūvio matavimas.
Branduolinių reakcijų išsaugojimo dėsniai
Branduolinėse reakcijose yra įvykdyti visi klasikinės fizikos išsaugojimo dėsniai. Šie įstatymai apriboja branduolinės reakcijos galimybę. Net ir energetiškai palankus procesas visada pasirodo neįmanomas, jei jį lydi koks nors gamtosaugos įstatymo pažeidimas. Be to, egzistuoja mikropasauliui būdingi gamtosaugos įstatymai; kai kurie iš jų, kiek žinoma, visada įvykdomi (bariono skaičiaus, leptono skaičiaus išsaugojimo dėsnis); kiti išsaugojimo dėsniai (izospinas, paritetas, keistumas) tik slopina tam tikras reakcijas, nes kai kurioms esminėms sąveikoms jie nepatenkinami. Apsaugos įstatymų pasekmės yra vadinamosios atrankos taisyklės, nurodančios tam tikrų reakcijų galimybę arba draudimą.
Energijos tvermės dėsnis
Jei , , , yra suminė dviejų dalelių energija prieš ir po reakcijos, tai remiantis energijos tvermės dėsniu:
Kai susidaro daugiau nei dvi dalelės, terminų skaičius dešinėje šios išraiškos pusėje turėtų būti atitinkamai didesnis. Bendra energija dalelė yra lygi jos ramybės energijai Mc 2 ir kinetinė energija E, Štai kodėl:
Skirtumas tarp dalelių bendrosios kinetinės energijos reakcijos „išvesties“ ir „įvesties“ metu K = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) paskambino reakcijos energija(arba reakcijos energijos išeiga). Jis tenkina sąlygą:
Daugiklis 1/ c 2 dažniausiai praleidžiamas skaičiuojant energijos balansą, dalelių mases išreiškiant energijos vienetais (arba kartais energiją masės vienetais).
Jeigu K> 0, tada reakciją lydi išsiskyrimas nemokama energija ir yra vadinamas egzoenergetinis , Jei K < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergetinis .
Tai nesunku pastebėti K> 0, kai gaminio dalelių masių suma mažesnė už pradinių dalelių masių sumą, tai yra, laisvosios energijos išsiskyrimas galimas tik sumažinus reaguojančių dalelių mases. Ir atvirkščiai, jei antrinių dalelių masių suma viršija pradinių dalelių masių sumą, tada tokia reakcija įmanoma tik tuo atveju, jei tam tikras kinetinės energijos kiekis išleidžiamas likusiai energijai padidinti, tai yra naujų dalelių masės. Minimali vertė vadinama krintančios dalelės kinetinė energija, kuriai esant galima endoenergetinė reakcija slenkstinė reakcijos energija. Endoenergetinės reakcijos dar vadinamos slenkstinės reakcijos, nes jie neatsiranda, kai dalelių energija yra mažesnė už slenkstį.
Impulso tvermės dėsnis
Bendras dalelių impulsas prieš reakciją yra lygus bendram reakcijos produkto dalelių impulsui. Jei , , , yra dviejų dalelių impulso vektoriai prieš ir po reakcijos, tada
Kiekvienas vektorius gali būti išmatuotas nepriklausomai eksperimentiškai, pavyzdžiui, naudojant magnetinį spektrometrą. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad impulso tvermės dėsnis galioja tiek branduolinėse reakcijose, tiek mikrodalelių sklaidos procesuose.
Kampinio momento išsaugojimo dėsnis
Branduolinės sintezės reakcija
Branduolinės sintezės reakcija- dviejų atomų branduolių susiliejimo procesas, kad susidarytų naujas, sunkesnis branduolys.
Be naujojo branduolio, sintezės reakcijos metu, kaip taisyklė, taip pat susidaro įvairios elementarios dalelės ir (ar) elektromagnetinės spinduliuotės kvantai.
Be tiekimo išorinė energija branduolių suliejimas yra neįmanomas, nes teigiamai įkrauti branduoliai patiria elektrostatinės atstūmimo jėgas - tai yra vadinamasis „Coulomb barjeras“. Norint susintetinti branduolius, reikia juos priartinti prie maždaug 10–15 m atstumo, kuriame stiprios sąveikos veiksmas viršys elektrostatinės atstūmimo jėgas. Tai įmanoma, jei artėjančių branduolių kinetinė energija viršija Kulono barjerą.
Tokios sąlygos gali atsirasti dviem atvejais:
- Jei žvaigždės arba branduolių sintezės reaktoriuje medžiaga kaitinama iki itin aukštos temperatūros. Pagal kinetinę teoriją, judančių medžiagos mikrodalelių (atomų, molekulių ar jonų) kinetinė energija gali būti pavaizduota kaip temperatūra, todėl kaitinant medžiagą galima pasiekti branduolių sintezės reakciją. Šiuo atveju jie kalba apie termobranduolinę sintezę arba termobranduolinę reakciją.
Termobranduolinė reakcija
Termobranduolinė reakcija- dviejų atomų branduolių susiliejimas, kad susidarytų naujas sunkesnis branduolys dėl jų šiluminio judėjimo kinetinės energijos.
Branduolio sintezės reakcijai pradiniai branduoliai turi turėti santykinai didelę kinetinę energiją, nes jie patiria elektrostatinį atstūmimą, nes yra teigiamai įkrauti.
Visų pirma, tarp jų reikėtų pažymėti Žemėje labai paplitusią dviejų vandenilio izotopų (deuterio ir tričio) reakciją, dėl kurios susidaro helis ir išsiskiria neutronas. Reakciją galima parašyti taip:
+ energija (17,6 MeV).
Išleidžiama energija (atsiranda dėl to, kad helis-4 turi labai stiprią branduoliniai ryšiai) virsta kinetine energija, dauguma iš kurių 14,1 MeV nuneša neutroną kaip lengvesnę dalelę. Gautas branduolys yra tvirtai surištas, todėl reakcija yra tokia labai egzoenergetinė. Šiai reakcijai būdingas žemiausias Kulono barjeras ir didelis derlius, todėl ji atstovauja ypatingas susidomėjimas už valdomą termobranduolinė sintezė.
Fotobranduolinė reakcija
Kai gama kvantas yra absorbuojamas, branduolys gauna energijos perteklių nekeičiant savo nukleono sudėties, o branduolys, turintis energijos perteklių, yra sudėtinis branduolys. Kaip ir kitų branduolinių reakcijų, gama kvanto absorbcija branduolyje yra įmanoma tik tuo atveju, jei tenkinami būtini energijos ir sukimosi santykiai. Jei energija, perduodama į branduolį, viršija nukleono jungimosi energiją branduolyje, tada gauto junginio branduolio skilimas dažniausiai įvyksta, kai išsiskiria nukleonai, daugiausia neutronai. Toks skilimas sukelia branduolines reakcijas ir, kurios vadinamos fotobranduolinis, o nukleonų emisijos reiškinys šiose reakcijose yra branduolinis fotoelektrinis efektas.
Kita
Branduolinių reakcijų registravimas
Branduolinės reakcijos rašomos specialiomis formulėmis, kuriose randami atomų branduolių ir elementariųjų dalelių žymėjimai.
Pirmas būdas Branduolinių reakcijų formulių rašymas panašus į cheminių reakcijų formulių rašymą, tai yra, kairėje rašoma pradinių dalelių suma, dešinėje rašoma gautų dalelių (reakcijos produktų) suma ir dedama rodyklė tarp jų.
Taigi kadmio-113 branduolio radiacinio neutrono gaudymo reakcija parašyta taip:
Matome, kad protonų ir neutronų skaičius dešinėje ir kairėje lieka toks pat (bariono skaičius išlieka). Tas pats galioja ir elektros krūviai, leptonų skaičius ir kiti dydžiai (energija, impulsas, kampinis momentas, ...). Kai kuriose reakcijose, kuriose dalyvauja silpna sąveika, protonai gali virsti neutronais ir atvirkščiai, tačiau bendras jų skaičius nekinta.
Antras būdasžymėjimas, patogesnis branduolinei fizikai, turi formą A (a, bcd...) B, Kur A- tikslinė šerdis, A- bombarduojanti dalelė (įskaitant branduolį), b, c, d,…- išskiriamos dalelės (įskaitant branduolius), IN- likutinė šerdis. Lengvesni reakcijos produktai rašomi skliausteliuose, sunkesni – lauke. Taigi aukščiau pateiktą neutronų gaudymo reakciją galima parašyti tokia forma.
Esant žemai (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 MeV) energijos. Skiriami lengvieji branduoliai (tiksliniai branduoliai A< 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
aš branduolinis gali atsirasti, jei dvi jame dalyvaujančios dalelės priartėja atstumu, mažesniu už branduolio skersmenį (apie 10 -13 cm), t.y. tokiu atstumu, kuriuo veikia intrabranduolinės sąveikos jėgos. tarp branduolį sudarančių nukleonų. Jei abu dalyviai branduolinių dalelių Kadangi tiek bombardavimas, tiek tikslinė šerdis yra teigiamai įkrauti, dalelėms priartėti neleidžia dviejų teigiamų dalelių atstūmimo jėga. krūvių, o bombarduojanti dalelė turi įveikti vadinamąją. Kulono potencialo barjeras. Šio barjero aukštis priklauso nuo bombarduojančios dalelės krūvio ir tikslinio branduolio krūvio. Branduoliams, atsakantiems su vid. vertės ir bombarduoja daleles krūviu +1, barjero aukštis yra apytiksl. 10 MeV. Jei branduoliniame procese dalyvauja dalelės, neturinčios krūvio (), Kulono potencialo barjero nėra, o branduolinės reakcijos gali vykti dalyvaujant dalelėms, kurios turi šiluminė energija(t.y. šilumines vibracijas atitinkanti energija).
Galimybė, kad branduoliniai branduoliai atsiras ne bombarduojant tikslinius branduolius krintančiomis dalelėmis, o dėl itin stiprios branduolių konvergencijos (t. y. artėjančių atstumais, panašiais į branduolio skersmenį), esančių kietoje medžiagoje arba ant paviršiaus. (pavyzdžiui, dalyvaujant branduoliams, ištirpusiems); Iki šiol (1995 m.) nėra patikimų duomenų apie tokio branduolinio („šaltosios termobranduolinės sintezės“) įgyvendinimą.
aš branduolinei energijai galioja tie patys bendrieji gamtos dėsniai, kaip ir įprastai chemijai. r-tion (ir energija, krūvio išsaugojimas, impulsas). Be to, vykstant branduolinėms reakcijoms, atsiranda ir tam tikrų specifinių poveikių. dėsniai, kurių chemijoje nėra. p-cijas, pavyzdžiui, bariono krūvio (barionai yra sunkūs) išsaugojimo dėsnį.
Branduolinius branduolius galima užrašyti taip, kaip parodyta Pu branduolių transformacijos į Ku branduolius pavyzdyje, kai plutonio taikinys apšvitinamas branduoliais:
Iš šio įrašo aišku, kad kairėje ir dešinėje esančių krūvių sumos (94 + 10 = 104) ir sumos (242 + 22 = 259 + 5) yra lygios. Kadangi cheminis simbolis elementas aiškiai nurodo jo vietą. skaičius (branduolinis krūvis), tada rašant dalelių krūvio branduolines reikšmes jos paprastai nenurodomos. Dažniau branduoliniai rašomi trumpiau. Taigi 14 C branduolio susidarymas apšvitinant 14 N branduolius registruojamas taip. būdas: 14 N(n, p) 14 C.
Skliausteliuose pirmiausia nurodykite bombarduojančią dalelę arba kvantą, tada, atskiriant kableliais, gautas šviesos daleles arba kvantą. Pagal šį įrašymo būdą išskiriami (n, p), (d, p), (n, 2n) ir kiti branduoliniai..
Kai susiduria tos pačios dalelės, branduolinės dalelės gali atsiskirti. būdais. Pavyzdžiui, apšvitinus aliuminio taikinį, gali atsirasti pėdsakų. branduolinis: 27 A1(n,) 28 A1, 27 A1(n, n) 27 A1, 27 A1(n, 2n) 26 A1, 27 A1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na ir ir tt Susiduriančių dalelių rinkinys vadinamas. branduolio įvesties kanalas, o dalelės, gimusios dėl branduolinio, sudaro išvesties kanalą.
aš Branduolinės branduolinės reakcijos gali vykti išskiriant ir absorbuojant energiją Q. Jei bendrais bruožais branduolinę energiją rašome kaip A(a, b)B, tai tokiai branduolinė energija yra lygus: Q = [(M A + M a) - (M b + M b)] x c 2, kur M yra dalyvaujančių branduolinių dalelių masė; c yra šviesos greitis. Praktiškai patogiau naudoti deltaM reikšmes (žr.), tada Q skaičiavimo išraiška turi tokią formą: patogumo sumetimais ji paprastai išreiškiama kiloelektronvoltais (keV, 1 amu = 931501,59 keV = 1,492443 x 10 -7 kJ).
Energijos pokytis, kurį lydi branduolinė energija, gali būti 10 6 ar daugiau kartų didesnis nei cheminių reakcijų metu išsiskirianti arba sugerta energija. r-cijas. Todėl branduolio metu tampa pastebimas sąveikaujančių branduolių masių pokytis: išsiskirianti arba sugerta energija lygi dalelių masių sumų skirtumui prieš ir po branduolio. Galimybė išleisti didžiulius energijos kiekius įgyvendinant branduolinę energiją yra branduolinės energijos pagrindas (žr. Branduolinėse reakcijose dalyvaujančių dalelių energijų, taip pat kampų, kuriais susidariusios dalelės skrenda viena nuo kitos, santykių tyrimas sudaro skyrių. branduolinė fizika- branduolinių sistemų kinematika.
Branduolinės galios, y., branduolinių dalelių skaičiaus ir dalelių, patenkančių į taikinio ploto vienetą (1 cm 2), skaičiaus santykis paprastai neviršija 10 -6 -10 -3. Ploniems taikiniams (paprasčiausiai plonas taikinys gali būti vadinamas taikiniu, kai pro jį bombarduojančių dalelių srautas pastebimai nesusilpnėja) branduolio išeiga yra proporcinga dalelių, patenkančių ant 1 cm 2 taikinio paviršiaus, skaičiui, branduolių, esančių 1 cm 2 taikinyje, skaičius, taip pat efektyvaus branduolio skerspjūvio vertė. Net ir naudojant tokį galingą atsitiktinių dalelių šaltinį kaip branduolinis reaktorius, per 1 valandą, kaip taisyklė, galima gauti atliekant branduolinę veiklą veikiant ne daugiau kaip keletui. mg turinčių naujų branduolių. Paprastai viename ar kitame branduoliniame objekte gaunamos medžiagos masė yra žymiai mažesnė.
Bombarduojančios dalelės. Branduolinėms reakcijoms atlikti naudojami n, p, deuteronai d, tritonai t, dalelės, sunkiosios (12 C, 22 Ne, 40 Ar ir kt.), e kvantai. Šaltiniai (žr.) atliekant branduolinius darbus yra: metalų mišiniai. Būti ir tinkamas emiteris, pvz. 226 Ra (vadinamieji ampuliniai šaltiniai), neutronų generatoriai, branduoliniai reaktoriai. Kadangi daugeliu atvejų branduolinės yra didesnės dėl mažos energijos (šilumos), tada prieš nukreipiant srautą į taikinį, jie paprastai yra sulėtinami naudojant ir kitas medžiagas. Esant lėtiems pagrindams. beveik visų branduolių procesas yra radiacijos gaudymas - branduolinio tipo, nes branduolio Kulono barjeras neleidžia dalelėms pabėgti. Esant įtakai, atsiranda grandininiai srautai.
Jei naudojamos kaip bombarduojančios dalelės, deuteronai ir kt., pernešantys teigiamą. įkrova, bombarduojanti dalelė pagreitėja iki didelės energijos(nuo dešimčių MeV iki šimtų GeV), naudojant decomp. greitintuvai. Tai būtina, kad įkrauta dalelė galėtų įveikti Kulono potencialo barjerą ir patekti į apšvitintą branduolį. Švitinant taikinius teigiamai įkrautomis dalelėmis, maks. Branduolinis derlius pasiekiamas naudojant deuteronus. Taip yra dėl to, kad surišimo energija deuterone yra palyginti maža, todėl atstumas tarp ir yra didelis.
Kai deuteronai naudojami kaip bombarduojančios dalelės, į apšvitintą branduolį dažnai prasiskverbia tik vienas nukleonas – arba antrasis deuterono branduolio nukleonas skrenda toliau, dažniausiai ta pačia kryptimi, kaip ir krintantis deuteronas. Didelius efektyvius skerspjūvius galima pasiekti atliekant branduolinius bandymus tarp deuteronų ir lengvųjų branduolių, esant santykinai mažai krintančių dalelių energijai (1–10 MeV). Todėl branduoliniai branduoliai, kuriuose dalyvauja deuteronai, gali būti atliekami ne tik naudojant greitintuvu paspartintus deuteronus, bet ir kaitinant sąveikaujančių branduolių mišinį iki maždaug temperatūros. 10 7 K. Tokie branduoliniai vadinami termobranduoliniais. IN gamtinės sąlygos jie atsiranda tik žvaigždžių gelmėse. Žemėje termobranduolinės reakcijos, apimančios
