Jadrová reakcia je proces silnej interakcie atómového jadra s elementárnou časticou alebo s iným jadrom, čo vedie k premene jadra. Najbežnejším typom jadrovej reakcie je reakcia typu , kde 
- ľahké častice - neutrón, protón, 
- častice, 
- kvantum.
Reakcie spôsobené nie veľmi rýchlymi časticami prebiehajú v dvoch stupňoch. V prvom štádiu sú ním zachytené častice približujúce sa k jadru, čím sa vytvorí medziľahlé jadro, zložené jadro. Energia zavedená časticou sa prerozdeľuje medzi nukleóny a jadro je v excitovanom stave. V druhom štádiu jadro emituje časticu 
.
.
Ak 
, potom nejde o jadrovú reakciu, ale o rozptylový proces. Ak 
- pružný rozptyl, ak 
- nepružný rozptyl.
Reakcie vyvolané rýchlymi nukleónmi prebiehajú bez vytvorenia intermediárneho jadra – ide o priame jadrové interakcie.
Reakcie sú rozdelené:
podľa typu častíc zapojených do jadrových reakcií.
Podľa energie príslušných častíc (studené, horúce)
Podľa typu jadier zapojených do reakcie (ľahké, stredné, ťažké)
Podľa povahy produktov získaných v dôsledku reakcie (elementárne častice, protóny, neutróny)
Jadrové štiepne reakcie. V roku 1938 Hahn a Strassmann zistili, že pri ožarovaní uránu neutrónmi vznikajú prvky zo stredu periodickej tabuľky. Reakcia je charakterizovaná uvoľnením veľkého množstva energie. Následne sa zistilo, že jadro, ktoré neutrón zachytilo, možno rozdeliť rôznymi spôsobmi. Produkty štiepenia sa nazývajú fragmenty. Najpravdepodobnejšie je rozdelenie na fragmenty, ktorých hmotnosti súvisia ako:
Cerium - stabilné
Zirkónium je stabilné.
Jadro uránu je štiepiteľné iba rýchlymi neutrónmi. Pri nižších energiách sa neutróny pohlcujú a jadro prejde do excitovaného stavu – ide o radiačné zachytenie.
Neutróny, ktoré vznikajú pri štiepení uránu, môžu spôsobiť ďalšiu reakciu atď. Ide o reťazovú jadrovú reakciu. Multiplikačný faktor neutrónov je pomer počtu neutrónov v danej generácii k počtu neutrónov v predchádzajúcej generácii. Reťazová reakcia pokračuje 
.
Kvôli konečnej veľkosti štiepneho telesa a vysokej penetračnej sile mnohé neutróny opúšťajú reakčnú zónu skôr, ako ich zachytí jadro. Ak je hmotnosť štiepneho uránu menšia ako určitá kritická hodnota, väčšina neutrónov vyletí a reťazová reakcia neprebehne. Ak je hmotnosť väčšia ako kritická, neutróny sa rýchlo množia a reakcia má charakter výbuchu (na tom je založená činnosť atómovej bomby). V reaktoroch sa kritická hmotnosť reguluje absorbovaním nadbytočných neutrónov kadmiom a uhlíkovými tyčami.
Fúzia ľahkých jadier na ťažšie je fúzna reakcia. Ak reakcia prebieha pri vysokých teplotách, ide o termonukleárnu reakciu. Termonukleárna reakcia je zrejme jedným zo zdrojov energie pre Slnko a hviezdy.
Vývoj fyziky elementárne častice spojené so štúdiom kozmického žiarenia. Existujú 2 typy kozmického žiarenia: primárne, prichádzajúce z vesmíru a pozostávajúce hlavne z vysokoenergetických protónov, a sekundárne, ktoré vzniká v dôsledku interakcie primárneho kozmického žiarenia s jadrami atómov v zemskej atmosfére. V sekundárnom žiarení sa rozlišujú tvrdé a mäkké zložky.
Existujú 4 typy interakcií:
Silná sila je 100-krát väčšia ako elektromagnetická sila a 10 14-krát väčšia ako slabá sila. Dosah silného je 10 -15 m, slabého 10 -19 m.
jadrovej reakcie – ide o premenu atómových jadier pri interakcii s elementárnymi časticami(vrátane γ-kvant) alebo medzi sebou. Najbežnejším typom jadrovej reakcie je reakcia, napísaná symbolicky takto:
kde X a Y- počiatočné a konečné jadrá, a a b- bombardovanie a emitované (alebo emitované) v častici jadrovej reakcie.
V jadrovej fyziky efektívnosť interakcie charakterizovať efektívny prierez σ. Každý typ interakcie medzi časticou a jadrom je spojený s jeho účinným 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 prierezu látky, 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 lúč častíc dopadne na látku.
Jednotkou merania efektívneho prierezu jadrových procesov je stodola (1 stodola \u003d 10 -28 m 2).
Pri akejkoľvek jadrovej reakcii vykonané zákony zachovania elektrických nábojov a hromadné čísla : súčet poplatkov(a súčet hmotnostných čísel) jadrá a častice, reagujúci sa rovná súčtu nábojov(a súčet hmotnostných čísel) finálne produkty(jadrá a častice) reakcie. Vykonané tiež zákony zachovania energie , spád a moment hybnosti .
Na rozdiel od rádioaktívneho rozpadu, ktorý vždy prebieha s uvoľňovaním energie, jadrové reakcie môžu byť buď exotermický (s uvoľňovaním 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 je zachytenie jadrom Xčastice a, priblíženie sa k nemu na vzdialenosť pôsobenia jadrových síl (približne) a vytvorenie medziľahlého jadra S, nazývaný kompozit (alebo zlúčenina-kernel). Energia častice, ktorá vletela do jadra, sa rýchlo rozdelí medzi nukleóny zloženého jadra, v dôsledku čoho je v excitovanom stave. Pri zrážke nukleónov zloženého jadra jeden z nukleónov (alebo ich kombinácia, napr. deuterón) alebo α - častica môže získať dostatok energie na únik z jadra. Ako výsledok prichádza druhý stupeň jadrovej reakcie - rozpad zloženého jadra na jadro Y a častice b.
V jadrovej fyzike je predstavená charakteristický jadrový čas – čas,potrebné na prechod častice vo vzdialenosti rádovo rovnajúcej sa priemeru jadra(). Takže pre časticu s energiou 1 MeV (čo zodpovedá jej rýchlosti 10 7 m/s) je charakteristický jadrový čas . 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 emitované ním 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 podobnosť s jadrovou reakciou v doslovnom zmysle slova.
Prebiehajú určité reakcie bez vzniku zloženého jadra, volajú sa priame jadrové interakcie(napríklad reakcie spôsobené rýchlymi nukleónmi a deuterónmi).
Jadrové reakcie sú klasifikované podľa nasledujúcich kritérií:
podľa povahy častíc, ktoré sa v nich podieľajú - reakcie pod pôsobením neutrónov; reakcie pri pôsobení nabitých častíc (napríklad protónov, deuterónov, a-častíc); reakcie pôsobením γ-kvant;
· podľa energie častíc, ktoré ich spôsobujú – reakcie pri nízkych energiách (rádovo v elektrónvoltoch), prebiehajúce najmä za účasti neutrónov; reakcie pri stredných energiách (rádovo do niekoľkých MeV), prebiehajúce za účasti γ-kván a nabitých častíc (protónov, α-častíc); reakcie prebiehajúce pri vysokých energiách (stovky a tisíce MeV), ktoré vedú k objaveniu sa elementárnych častíc, ktoré vo voľnom stave chýbajú a majú veľký význam pre ich štúdium;
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);
Charakterom prebiehajúcich jadrových premien - reakcií s emisiou neutrónov; reakcie s emisiou nabitých častíc; zachytávacie reakcie (pri týchto reakciách zložené jadro nevyžaruje žiadne častice, ale prechod do základného stavu, emisia jedného alebo viacerých γ-kván).
Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz:
Pri nízkej (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (>energie 100 MeV). Rozlišujte okrsky na ľahkých jadrách (cieľové jadrá A< 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
SOM jadrová môže nastať, ak sa dve častice, ktoré sú v ňom zahrnuté, priblížia na vzdialenosť menšiu ako je priemer jadra (cca 10 -13 cm), teda na vzdialenosť, na ktorú pôsobia sily vnútrojadrovej interakcie. medzi jednotlivými nukleónmi. Ak sú obe častice zapojené do jadrovej častice - bombardovacie aj cieľové jadro - kladne nabité, potom je priblíženiu častíc zabránené odpudivou silou dvoch kladných. nábojov a bombardujúca častica musí prekonať tzv. Coulombova potenciálna bariéra. Výška tejto bariéry závisí od náboja bombardujúcej častice a náboja cieľového jadra. Pre jadrá odpovedajúce z porov. hodnoty a bombardovanie častíc s nábojom +1, výška bariéry je cca. 10 MeV. V prípade, že častice, ktoré nemajú náboj (), sa podieľajú na jadrovom, neexistuje žiadna Coulombova potenciálna bariéra a jadrové môžu pokračovať za účasti častíc, ktoré majú termálna energia(t.j. energia zodpovedajúca tepelným vibráciám).
O možnosti úniku jadra sa hovorí nie v dôsledku bombardovania cieľových jadier dopadajúcimi časticami, ale v dôsledku supersilného priblíženia jadier (tj priblíženia na vzdialenosti porovnateľné s priemerom jadra) umiestnených v pevnom, resp. na povrchu (napríklad za účasti jadier rozpustených v); zatiaľ (1995) neexistujú spoľahlivé údaje o realizácii takejto jadrovej energie ("studená termonukleárna fúzia").
SOM jadrové sa riadia rovnakými všeobecnými prírodnými zákonmi ako konvenčné chem. p-tion (a energia, zachovanie náboja, hybnosť). Navyše v priebehu jadrovej energie pôsobia aj určité špecifické. zákonitosti, ktoré sa neprejavujú v chem. p-tiony, napríklad zákon zachovania baryónového náboja (baryóny sú ťažké).
Môžete zapísať jadrové, ako je znázornené na príklade transformácie jadier Pu na jadrá Ku, keď je plutóniový terč ožiarený jadrami:
Z tohto záznamu je zrejmé, že súčty poplatkov vľavo a vpravo (94 + 10 = 104) a súčty (242 + 22 = 259 + 5) sa navzájom rovnajú. Keďže symbol chem. prvok jednoznačne označuje jeho at. číslo (náboj jadra), potom pri zaznamenávaní jadrových hodnôt náboja častíc zvyčajne neuvádzajú. Častejšie sa jadrové píšu kratšie. Takže jadrová tvorba 14C počas ožarovania 14N jadier sa zaznamenáva nasledovne. cesta: 14N(n,p)14C.
V zátvorkách uveďte najprv bombardujúcu časticu alebo kvantum, potom, oddelené čiarkou, výsledné svetelné častice alebo kvantá. V súlade s týmto spôsobom zaznamenávania (n, p), (d, p), (n, 2n) a iné jadrové.
Keď sa rovnaké častice zrazia, jadrové častice sa môžu rozložiť. spôsoby. Napríklad pri ožiarení hliníkového terča môže dôjsť k stope. jadro: 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 a atď Súbor na seba narážajúcich častíc tzv. vstupný kanál jadra a častice produkované ako výsledok jadra tvoria výstupný kanál.
SOM jadrová môže pokračovať s uvoľňovaním a absorpciou energie Q. Ak v všeobecný pohľad jadrovú napíšte ako A(a, b)B, potom za takú jadrová energia sa rovná: Q \u003d [(MA + M a) - (M v + M b)] x c 2, kde M je hmotnosť častíc zapojených do jadrovej častice; c je rýchlosť svetla. V praxi je vhodnejšie použiť hodnoty deltaM (pozri), potom výraz na výpočet Q má tvar: navyše z dôvodu pohodlia sa zvyčajne vyjadruje v kiloelektrónvoltoch (keV, 1 amu = 931501,59 keV = 1,492443 x 10-7 kJ).
Zmena energie, ktorá je sprevádzaná jadrovou energiou, môže byť 10 6-krát alebo viackrát vyššia ako energia uvoľnená alebo absorbovaná počas chem. okresov. Preto pri jadrovom je zrejmá zmena hmotnosti interagujúcich jadier: uvoľnená alebo absorbovaná energia sa rovná rozdielu medzi súčtami hmotností častíc pred a za jadrom. Schopnosť uvoľniť obrovské množstvo energie pri implementácii jadra je základom jadrovej energie (pozri). Štúdium vzťahov medzi energiami častíc zapojených do jadra, ako aj vzťahov medzi uhlami, pod ktorými sa výsledné častice rozpínajú, tvorí časť jadrovej fyziky - kinematika jadrových oblastí.
Jadrové výstupy, t.j. pomer počtu jadrových častíc k počtu častíc padajúcich na jednotku plochy (1 cm 2 ) terča zvyčajne nepresahuje 10-6-10-3. Pri tenkých terčoch (zjednodušene možno nazvať tenký terč, pri prechode ktorým prúd bombardujúcich častíc výrazne nezoslabne) je jadrový výťažok úmerný počtu častíc dopadajúcich na 1 cm 2 povrchu terča, počtu jadier obsiahnutých v 1 cm 2 terča a tiež hodnota efektívneho prierezu jadrového . Aj pri použití takého silného zdroja projektilových častíc, ktorým je jadrový reaktor, je spravidla možné do 1 hodiny získať jadrovú realizáciu pod vplyvom nie viac ako niekoľkých. mg obsahujúce nové jadrá. Zvyčajne je hmotnosť hmoty získaná v jednom alebo druhom jadre oveľa menšia.
bombardujúce častice. Na realizáciu jadra sa používajú n, p, deuteróny d, tritóny t, častice, ťažké (12 C, 22 Ne, 40 Ar atď.), e a kvantá. Zdroje (pozri) pri vedení jadra sú: zmesi kov. Be a vhodný žiarič, napr. 226 Ra (tzv. ampulové zdroje), neutrónové generátory, jadrové reaktory. Keďže vo väčšine prípadov je jadrová energia vyššia pre nízke energie (tepelné), potom sa pred nasmerovaním toku k cieľu zvyčajne spomalia pomocou , a iných materiálov. V prípade pomalého proces pre takmer všetky jadrá - radiačný záchyt - je jadrového typu, keďže Coulombova bariéra jadra bráni úniku častíc. Pod akciou prúdia reťazové okresy.
V prípade použitia ako bombardovacie častice, deuteróny a pod., nesúce kladné. nábojom sa bombardujúca častica urýchľuje na vysoké energie (od desiatok MeV až po stovky GeV), pomocou dekomp. urýchľovače. Je to nevyhnutné, aby nabitá častica mohla prekonať Coulombovu potenciálnu bariéru a vstúpiť do ožiareného jadra. Keď sú ciele ožiarené kladne nabitými časticami, max. jadrové výťažky sa dosahujú pomocou deuterónov. Je to spôsobené skutočnosťou, že väzbová energia v deuteróne je relatívne malá, a teda vzdialenosť medzi a je veľká.
Keď sa deuteróny použijú ako bombardovacie častice, do ožiareného jadra často prenikne iba jeden nukleón - alebo druhý nukleón jadra deuterónu letí ďalej, zvyčajne v tom istom smere ako dopadajúci deuterón. Vysoko efektívne prierezy možno dosiahnuť uskutočňovaním jadrových experimentov medzi deuterónmi a ľahkými jadrami pri relatívne nízkych energiách dopadajúcich častíc (1-10 MeV). Jadrové experimenty za účasti deuterónov je preto možné realizovať nielen použitím deuterónov urýchlených na urýchľovači, ale aj zahrievaním zmesi interagujúcich jadier na teplotu cca. 10 7 K. Takéto jadrové sa nazývajú termonukleárne. V prírodné podmienky plynú len v hlbinách hviezd. Na Zemi, termonukleárne oblasti s účasťou,
Jadrové reakcie- sú to procesy, ku ktorým dochádza pri zrážke jadier alebo elementárnych častíc s inými jadrami, v dôsledku ktorých sa mení kvantový stav a zloženie nukleónov pôvodného jadra a medzi produktmi reakcie sa objavujú nové častice.
V tomto prípade sú možné štiepne reakcie, keď sa jadro jedného atómu v dôsledku bombardovania (napríklad neutrónmi) rozdelí na dve jadrá rôznych atómov. Počas fúznych reakcií sa ľahké jadrá premieňajú na ťažšie.
Ďalší výskumníci objavili premeny pod vplyvom α-častíc jadier fluóru, sodíka, hliníka atď., sprevádzané emisiou protónov. Jadrá ťažkých prvkov neprešli transformáciami. Je zrejmé, že ich veľký elektrický náboj neumožnil α-častici priblížiť sa k jadru.
Aby došlo k jadrovej reakcii, častice sa musia priblížiť k jadru, čo je možné pri časticiach s veľmi vysokou energiou (najmä pri kladne nabitých časticiach, ktoré sa od jadra odpudzujú). Takáto energia (až 10 5 MeV) sa v urýchľovačoch nabitých častíc odovzdáva protónom, deuterónom a iným časticiam. Táto metóda je oveľa efektívnejšia ako použitie jadier hélia emitovaných rádioaktívnym prvkom (ktoré majú energiu asi 9 MeV).
Prvá jadrová reakcia na rýchlych protónoch sa uskutočnila v roku 1932. Lítium bolo možné rozdeliť na dve α-častice:
Objav neutrónov bol prelomovým bodom v štúdiu jadrových reakcií. Beznábojové neutróny voľne prenikajú do atómových jadier a spôsobujú ich zmeny, napr.
Veľký taliansky fyzik Enrico Fermi zistil, že pomalé neutróny (asi 10 4 eV) sú v reakciách jadrovej transformácie účinnejšie ako rýchle neutróny (asi 10 5 eV). Preto sú rýchle neutróny spomalené v bežnej vode obsahujúcej veľké množstvo vodíkových jadier – protónov. Účinok spomalenia sa vysvetľuje skutočnosťou, že pri zrážke guľôčok rovnakej hmotnosti dochádza k najefektívnejšiemu prenosu energie.
Početné experimenty na rôznych druhoch jadrových interakcií ukázali, že vo všetkých prípadoch bez výnimky zostáva zachovaný celkový elektrický náboj častíc zúčastňujúcich sa interakcie. Inými slovami, celkový elektrický náboj častíc vstupujúcich do jadrovej reakcie sa rovná celkovému elektrickému náboju reakčných produktov (ako by sa malo očakávať podľa zákona o zachovaní náboja pre uzavreté systémy). Okrem toho sa pri jadrových reakciách obvyklého typu (bez tvorby antičastíc) pozoruje zachovanie jadrového hmotnostného čísla (t. j. celkového počtu nukleónov).
Vyššie uvedené potvrdzujú všetky vyššie uvedené typy reakcií (súčty zodpovedajúcich koeficientov v jadrách na ľavej a pravej strane reakčných rovníc sú rovnaké), pozri tabuľku.
Oba zákony ochrany platia aj pre jadrové transformácie, ako sú rádioaktívne rozpady.
V súlade so zákonom zachovania energie sa zmena kinetickej energie počas jadrovej reakcie rovná zmene pokojovej energie jadier a častíc zapojených do reakcie.
Energetický výťažok reakcie je rozdiel medzi pokojovými energiami jadier a častíc pred a po reakcii. Podľa toho, čo už bolo povedané, energetický výťažok jadrovej reakcie sa tiež rovná zmene kinetickej energie častíc zúčastňujúcich sa reakcie.
Ak je kinetická energia jadier a častíc po reakcii väčšia ako pred reakciou, potom hovoria o uvoľnení energie, inak - o jej absorpcii. Posledný prípad nastáva, keď je dusík bombardovaný α-časticami, časť energie sa premení na vnútornú energiu novovzniknutých jadier. V jadrovej reakcii Kinetická energia výsledných jadier hélia je o 17,3 MeV väčšia ako kinetická energia protónu, ktorý vstúpil do reakcie.
V predchádzajúcom liste sme opakovane hovorili o rozdelení atómového jadra na jednotlivé časti. Ale ako sa to dá v skutočnosti dosiahnuť? V dôsledku akých fyzikálnych procesov sa môže jadro rozbiť?
Pozorovania rádioaktívneho rozpadu v meniacich sa podmienkach prostredia - menovite pri rôznych tlakoch a teplotách, v elektrických a magnetické polia- ukázali, že rýchlosť rádioaktívneho rozpadu nezávisí od týchto podmienok. Všetky tieto faktory nie sú schopné spôsobiť vzájomnú premenu chemických prvkov. Je zrejmé, že energetické zmeny sú tu príliš malé na to, aby ich mohli ovplyvniť atómové jadro- takže vietor fúkajúci nad tehlovým domom ho nie je schopný zničiť.
Ale môžete zničiť dom delostrelecký granát. A Rutherford sa v roku 1919 rozhodol použiť tie najvýkonnejšie „škrupiny“, aké boli vtedy k dispozícii. Boli to častice emitované s energiou okolo 5 MeV at rádioaktívny rozpad urán. (Ako si pamätáte, sú to tie isté škrupiny, ktorými pred ôsmimi rokmi bombardoval plát zlatej fólie pri svojich slávnych experimentoch, ktoré viedli k vzniku planetárneho modelu atómu.)
Pravda, premena zlata na iné chemické prvky neboli v týchto experimentoch pozorované. Samotné jadro zlata je veľmi pevné a okrem toho obsahuje pomerne veľa protónov; vytvárajú silné Coulombovo pole, ktoré odpudzuje -časticu a nepustí ju príliš blízko k jadru. Ale aby sa jadro zlomilo, projektil sa musí dostať dostatočne blízko k jadru, aby sa zapol jadrové sily! No, čas veľký počet zabraňuje protónom - možno vziať ľahšie jadro, kde je málo protónov?
Rutherford bombardoval jadrá dusíka a v dôsledku toho uskutočnil prvý v histórii fyziky jadrovej reakcie:
(1)
Na pravej strane (1) vidíme reakčné produkty je izotop kyslíka a protón.
Ukázalo sa, že na štúdium jadrových reakcií je potrebné mať častice projektilu s vysokou energiou. Táto príležitosť je daná urýchľovače elementárne častice. Urýchľovače majú oproti prírodným „rádioaktívnym delám“ dve veľké výhody.
1. Urýchľovače môžu urýchliť akékoľvek nabité častice. To platí najmä pre protóny, ktoré nevznikajú pri prirodzenom rozpade jadier. Protóny sú dobré, pretože nesú minimálny náboj, čo znamená, že zažijú najmenšie Coulombovo odpudzovanie od cieľových jadier.
2. Urýchľovače umožňujú dosiahnuť energie, ktoré sú o niekoľko rádov vyššie ako energia α-častíc pri rádioaktívnom rozpade. Napríklad vo Veľkom hadrónovom urýchľovači sú protóny urýchlené na energie niekoľkých TeV; to je miliónkrát viac ako 5 MeV pre -častice v reakcii (1), ktorú uskutočnil Rutherford.
Takže pomocou protónov, ktoré prešli cez urýchľovač, bolo možné v roku 1932 rozbiť jadro lítia (pri získaní dvoch častíc):
(2)
Jadrové reakcie umožnili umelú premenu chemických prvkov.
Okrem toho sa v reakčných produktoch začali objavovať nové, dovtedy neznáme častice. Napríklad, keď bolo berýlium ožiarené časticami v tom istom roku 1932, bol objavený neutrón:
(3)
Neutróny sú skvelé na štiepenie jadier: bez toho nabíjačka, voľne prenikajú do jadra. (Zároveň nie je potrebné urýchľovať neutróny - pomalé neutróny prenikajú jadrami ľahšie. Ukazuje sa, že neutróny dokonca treba spomaliť, a to tak, že neutróny prejdú cez obyčajnú vodu.) Takže, keď je dusík pri ožiarení neutrónmi dochádza k nasledujúcej reakcii:
(4)
Pri diskusii o väzbovej energii sme videli, že v dôsledku jadrových procesov hmotnosť systému častíc nezostáva konštantná. To zase vedie k tomu, že kinetická energia produktov jadrovej reakcie sa líši od kinetickej energie počiatočných častíc.
Najprv si pripomeňme, že celková energia hmotnej častice je súčtom jej pokojovej energie a kinetickej energie:
Nech dôjde k jadrovej reakcii v dôsledku zrážky častíc, ktorých produktmi sú častice a:
(5)
Celková energia časticového systému sa zachová:
(6)
Kinetická energia počiatočných častíc je . Kinetická energia produktov reakcie je . energetický výdaj jadrová reakcia je rozdiel medzi kinetickými energiami reakčných produktov a počiatočných častíc:
Z (6) ľahko získame:
(7)
Ak class="tex" alt="(!LANG:Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} s uvoľňovaním energie viac kinetická energia počiatočných častíc. Z (7) vidíme, že v tomto prípade ide o celkovú hmotnosť reakčných produktov menej
Ak , potom reakcia je s absorpciou energie: kinetická energia produktov reakcie menej kinetická energia počiatočných častíc. Celková hmotnosť reakčných produktov v tomto prípade viac celková hmotnosť počiatočných častíc.
Pojmy „uvoľňovanie“ a „absorpcia“ energie by teda nemali spôsobovať zmätok: týkajú sa iba kinetická energia častíc. Celková energia systému častíc samozrejme zostáva nezmenená pri akejkoľvek reakcii.
1. Pomocou tabuľky hmotností neutrálnych atómov zistíme a vyjadríme v a. e.m. (ak chcete zistiť hmotnosť jadra, nezabudnite odpočítať hmotnosť elektrónov od hmotnosti neutrálneho atómu).
2. Vypočítame hmotnosť počiatočných častíc, hmotnosť produktov reakcie a zistíme hmotnostný rozdiel .
3. Vynásobte a získajte hodnotu vyjadrenú v MeV.
Teraz podrobne zvážime výpočet energetického výťažku pomocou dvoch príkladov bombardovania jadier lítia: najprv - protónmi, potom - časticami.
V prvom prípade máme už vyššie uvedenú reakciu (2):
Hmotnosť atómu lítia je a. e. m. Hmotnosť elektrónu je a. e. m. Odčítaním od hmotnosti atómu hmotnosť jeho troch elektrónov, dostaneme hmotnosť jadra lítia :
A. e. m.
Hmotnosť protónu je a. m., takže hmotnosť počiatočných častíc:
A. e. m.
Prejdime k reakčným produktom. Hmotnosť atómu hélia je a. e. m. Odčítajte hmotnosť elektrónov a nájdite hmotnosť jadra hélia :
A. e. m.
Vynásobením číslom dostaneme hmotnosť reakčných produktov:
A. e. m.
Hmotnosť, ako vidíme, klesla; to znamená, že naša reakcia prebieha s uvoľňovaním energie. Hmotnostný rozdiel:
A. e. m.
Uvoľnená energia:
MeV.
Teraz sa pozrime na druhý príklad. Keď sú jadrá lítia bombardované časticami, dochádza k nasledujúcej reakcii:
(8)
Hmoty pôvodných jadier sú nám už známe; zostáva vypočítať ich celkovú hmotnosť:
A. e. m.
Z tabuľky vezmeme hmotnosť atómu bóru (rovná sa a. e. m.); odčítajte hmotnosť piatich elektrónov a získajte hmotnosť jadra atómu bóru:
A. e. m.
Hmotnosť neutrónu je a. e. m. Nájdite hmotnosť produktov reakcie:
A. e. m.
Tentokrát sa hmotnosť zvýšila. class="tex" alt="(!LANG:(m_2 > m_1)"> !}, to znamená, že reakcia prebieha absorpciou energie.
Hmotnostný rozdiel je:
A. e. m.
Energetický výťažok reakcie:
MeV.
Energia MeV je teda absorbovaná v reakcii (8). To znamená, že celková kinetická energia produktov reakcie (jadier bóru a neutrónov) je o MeV menšia ako celková kinetická energia počiatočných častíc (jadier lítia a -častíc). Preto, aby táto reakcia v princípe prebehla, energia počiatočných častíc musí byť aspoň MeV.
Bombardovaním jadier uránu pomalými neutrónmi objavili nemeckí fyzici Hahn a Strassmann vzhľad prvkov v strednej časti periodickej sústavy: bárium, kryptón, stroncium, rubídium, cézium atď. jadrové štiepenie urán.
Na obr. 1 vidíme proces jadrového štiepenia (obrázok z oup.co.uk.). Zachytením neutrónu sa jadro uránu rozdelí na dve časti fragment a uvoľnia sa dva alebo tri neutróny.
Ryža. 1. Štiepenie jadra uránu
Črepy sú jadrá rádioaktívne izotopy prvky stredu periodickej tabuľky. Zvyčajne je jeden z fragmentov väčší ako druhý. Napríklad pri bombardovaní uránu sa môžu vyskytnúť takéto kombinácie fragmentov (ako sa hovorí, reakcia prebieha podľa nasledujúceho kanály).
Bárium a kryptón:
Cézium a rubídium:
Xenón a stroncium:
Pri každej z týchto reakcií sa uvoľní veľmi veľká energia – rádovo MeV. Porovnajte túto hodnotu s energetickým výťažkom reakcie (2) zisteným vyššie, rovným MeV! Odkiaľ pochádza toto množstvo energie?
Začnime tým, že Vysoké číslo protóny (kúsky) zabalené v jadre uránu, Coulombove odpudivé sily, ktoré jadro rozširujú, sú veľmi veľké. Jadrové sily sú, samozrejme, stále schopné udržať jadro pred rozpadom, ale silný Coulombov faktor je pripravený kedykoľvek povedať svoje. A taká chvíľa nastáva, keď neutrón uviazne v jadre (obr. 2 - obrázok zo stránky investingreenenergy.com).
Ryža. 2. Deformácia, vibrácie a prasknutie jadra
Zachytený neutrón spôsobí deformáciu jadra. Začnú sa výkyvy tvaru jadra, ktoré môžu byť také intenzívne, že sa jadro natiahne do „činky“. Jadrové sily krátkeho dosahu, ktoré držia pohromade malý počet susedných nukleónov úžiny, sa nedokážu vyrovnať s elektrickými odpudivými silami polovíc činky a v dôsledku toho jadro praskne.
Úlomky sa rozptýlia veľkou rýchlosťou - približne rýchlosťou svetla. Odnášajú väčšinu uvoľnenej energie (asi MeV z ).
Štiepenie ťažkých jadier možno interpretovať z pohľadu nám známeho grafu závislosti špecifickej väzbovej energie jadra od jeho hmotnostného čísla (obr. 3).
Ryža. 3. Štiepenie ťažkých jadier je energeticky priaznivé
Farba zvýrazňuje oblasť, v ktorej dosahuje špecifická väzbová energia najväčšiu hodnotu MeV/nukleón. Toto je oblasť najstabilnejších jadier. Napravo od tejto oblasti špecifická väzbová energia postupne klesá na MeV/nukleón v jadre uránu.
Proces premeny menej stabilných jadier na stabilnejšie je energeticky priaznivý a je sprevádzaný uvoľňovaním energie. Počas štiepenia jadra uránu, ako vidíme, sa špecifická väzbová energia zvyšuje približne o MeV/nukleón; táto energia sa práve uvoľňuje v procese štiepenia. Vynásobením tohto počtu nukleónov v jadre uránu dostaneme približne rovnaký MeV energetického výstupu, ktorý bol spomenutý vyššie.
Najdôležitejším faktom je výskyt dvoch alebo troch neutrónov v procese štiepenia jadra uránu. Tieto neutróny „prvej generácie“ môžu zasiahnuť nové jadrá a spôsobiť ich štiepenie; v dôsledku štiepenia nových jadier sa objavia neutróny „druhej generácie“, ktoré spadnú do nasledujúcich jadier a spôsobia ich štiepenie; vzniknú neutróny "tretej generácie", čo povedie k štiepeniu ďalších jadier atď. jadrová reťazová reakcia, pri ktorej sa uvoľňuje obrovské množstvo energie.
Aby jadrová reťazová reakcia prebehla, je potrebné, aby počet uvoľnených neutrónov v ďalšej generácii nebol menej ako číslo neutrónov v predchádzajúcej generácii. Hodnota
volal multiplikačný faktor neutrónov. Reťazová reakcia teda prebieha pod podmienkou class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}
V prípade class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} nezvládnuteľný. Takto vybuchne atómová bomba.
V jadrové reaktory deje kontrolovanéštiepna reťazová reakcia s multiplikačným faktorom . Ustálený tok riadenej reťazovej reakcie je zabezpečený zavedením špeciálnych riadiacich tyčí, ktoré pohlcujú neutróny, do jadra reaktora (teda do oblasti, kde reakcia prebieha). Keď sú tyče úplne zasunuté, ich absorpcia neutrónov je taká veľká, že k reakcii nedochádza. Pri spúšťaní reaktora sa tyče postupne sťahujú z aktívnej zóny, až kým uvoľnený výkon nedosiahne požadovanú úroveň. Táto úroveň je starostlivo kontrolovaná a keď je prekročená, zapínajú sa zariadenia, ktoré zavádzajú riadiace tyče späť do jadra.
Spolu so štiepnou reakciou ťažkých jadier sa spätný proces v určitom zmysle ukazuje ako energeticky možný - syntéza ľahkých jadier, teda splynutie jadier ľahkých prvkov (nachádzajúcich sa na začiatku periodickej tabuľky) za vzniku ťažšieho jadra.
Aby mohla fúzia jadier začať, je potrebné ich priblížiť k sebe – aby do hry vstúpili jadrové sily. Pre takýto prístup je potrebné prekonať coulombovské odpudzovanie jadier, ktoré sa so zmenšujúcou sa vzdialenosťou medzi nimi prudko zväčšuje. To je možné len vtedy, keď je kinetická energia jadier veľmi vysoká, čo znamená, že pri veľmi vysokej teplote (desiatky a stovky miliónov stupňov). Preto sa nazýva reakcia jadrovej fúzie termonukleárna reakcia.
Ako príklad termonukleárna reakcia Tu je fúzna reakcia jadier deutéria a trícia (ťažké a superťažké izotopy vodíka), v dôsledku čoho sa vytvorí jadro hélia a neutrón:
(9)
Táto reakcia prebieha s uvoľnením energie rovnajúcej sa MeV (skúste urobiť výpočty sami a získajte túto hodnotu). To je veľa, ak vezmeme do úvahy, že do reakcie sú zapojené iba nukleóny! V skutočnosti na nukleón reakcia (9) uvoľní energiu približne MeV, zatiaľ čo štiepenie jadra uránu uvoľní „iba“ MeV na nukleón.
Termonukleárne reakcie teda slúžia ako zdroj ešte väčšej energie ako jadrové štiepne reakcie. Z fyzikálneho hľadiska je to pochopiteľné: energia jadrovej štiepnej reakcie je v podstate kinetická energia zrýchlených úlomkov elektrický odpudivé sily a pri jadrovej fúzii sa energia uvoľňuje v dôsledku zrýchlenia nukleónov smerom k sebe pod pôsobením oveľa silnejších jadrové príťažlivé sily.
Zjednodušene povedané, pri štiepení jadier sa uvoľňuje energia elektrickej interakcie a pri syntéze jadier energia silnej (jadrovej) interakcie.
V interiéroch hviezd sa dosahujú teploty, ktoré sú vhodné na splynutie jadier. Svetlo Slnka a vzdialených hviezd nesie energiu uvoľnenú pri termonukleárnych reakciách – pri fúzii jadier vodíka na jadrá hélia a následnej fúzii jadier hélia do jadier ťažších prvkov nachádzajúcich sa v strednej časti periodickej sústavy. Smer termonukleárnej fúzie je znázornený na obr. 4; syntéza ľahkých jadier je energeticky priaznivá, pretože je zameraná na zvýšenie špecifickej väzbovej energie jadra.
Ryža. 4. Syntéza ľahkých jadier je energeticky priaznivá
Počas výbuchu prebieha nekontrolovaná termonukleárna reakcia vodíková bomba. Najprv vybuchne vstavaný atómová bomba- potrebné na vytvorenie vysoká teplota v prvej fáze termonukleárneho výbuchu. Po dosiahnutí požadovanej teploty v termonukleárnom palive bomby sa začnú fúzne reakcie a dôjde k samotnej explózii vodíkovej bomby.
Nevyriešeným problémom zostáva realizácia riadenej termonukleárnej reakcie, na ktorej fyzici pracujú už viac ako pol storočia. Ak sa podarí dosiahnuť riadený tok termonukleárnej fúzie, potom bude mať ľudstvo k dispozícii prakticky neobmedzený zdroj energie. Ide o mimoriadne dôležitú výzvu, ktorej čelia súčasné a budúce generácie vzhľadom na hrozivú perspektívu vyčerpania zásob ropy a zemného plynu na našej planéte.
