§ 106 JADROVÉ REAKCIE
Atómové jadrá podliehajú transformáciám počas interakcií. Tieto premeny sú sprevádzané zvýšením alebo znížením kinetickej energie častíc, ktoré sa na nich podieľajú.
Jadrové reakcie nazývané zmeny v atómových jadrách, keď interagujú s elementárnymi časticami alebo medzi sebou navzájom. S príkladmi jadrových reakcií ste sa už oboznámili v § 103. K jadrovým reakciám dochádza, keď sa častice priblížia k jadru a spadnú do sféry pôsobenia jadrové sily. Podobne nabité častice sa navzájom odpudzujú. Preto je približovanie kladne nabitých častíc k jadrám (alebo jadrám k sebe navzájom) možné, ak je týmto časticiam (alebo jadrám) odovzdaná dostatočne veľká kinetická energia. Táto energia sa pomocou urýchľovačov odovzdáva protónom, jadrám deutéria - deuterónom, -časticiam a iným ťažším jadrám.
Na realizáciu jadrových reakcií je táto metóda oveľa efektívnejšia ako použitie jadier hélia emitovaných rádioaktívnymi prvkami. Po prvé pomocou urýchľovačov je možné časticiam dodať energiu rádovo 105 MeV, t.j. oveľa väčšiu, než akú majú častice a (maximálne 9 MeV). Po druhé , môžete použiť protóny, ktoré sa neobjavia v procese rádioaktívneho rozpadu (to je vhodné, pretože náboj protónov je polovičný ako náboj -častíc, a preto je odpudivá sila pôsobiaca na ne z jadier tiež 2 krát menšia). Po tretie , je možné urýchliť jadrá ťažšie ako jadrá hélia.
Prvá jadrová reakcia na rýchlych protónoch sa uskutočnila v roku 1932. Lítium bolo možné rozdeliť na dve častice:
V krátkosti si pripomeňme, čo už o atóme vieme:
V periodickej tabuľke je chemický prvok „kyslík“ označený takto:
Spontánna premena nestabilného izotopu jedného chemického prvku na izotop iného prvku, pri ktorej dochádza k emisii elementárne častice sa nazýva rádioaktivita.
Ak poznáme jednu z častíc, ktorá je výsledkom rozpadu, môžeme vypočítať ďalšiu časticu, pretože počas jadrovej reakcie sa pozoruje takzvaná hmotnostná bilancia jadrovej reakcie.
Podstatu jadrovej reakcie možno schematicky vyjadriť takto:
Reagujúce činidlá → Produkty, ktoré sú výsledkom reakcie
Uvažuje sa o jadrovej reakcii vyvážený, ak sa súčet atómových čísel prvkov na ľavej strane výrazu bude rovnať súčtu atómových čísel prvkov získaných po reakcii. Rovnaká podmienka musí byť dodržaná pre súčty hmotnostných čísel. Predpokladajme, že dôjde k jadrovej reakcii: izotop chlóru (chlór-35) je bombardovaný neutrónom za vzniku izotopu vodíka (vodík-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 X + 1 1 H
Aký X-prvok bude na pravej strane reakčnej rovnice?
Na základe hmotnostnej bilancie jadrovej reakcie bude atómové číslo neznámeho prvku 16. V periodickej tabuľke je toto číslo prvok síra (S). Môžeme teda povedať, že v dôsledku našej jadrovej reakcie, keď je izotop chlóru (chlór-35) bombardovaný neutrónom, vzniká izotop vodíka (vodík-1) a izotop síry (síra-35). získané. Tento proces sa tiež nazýva jadrovej transformácie.
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
Pomocou takýchto jadrových premien sa vedci naučili, ako získať umelé izotopy, ktoré sa v prírode nenachádzajú.
Jadro atómu obsahuje protóny (kladne nabité častice), ktoré sú sústredené vo veľmi malom priestore. Už skôr sme povedali, že v jadre atómu sú nejaké prídržné sily (takzvané "jadrové lepidlo"), ktoré neumožňujú podobne nabitým neutrónom rozbiť jadro atómu. Ale niekedy energia odpudzovania častíc prevyšuje energiu lepenia a jadro sa rozdelí na kúsky - existuje rádioaktívny rozpad.
Vedci zistili, že všetko chemické prvky, v ktorého jadre je viac ako 84 protónov (pod týmto sériové číslo tabuľka obsahuje polónium - Ro), sú nestabilné a z času na čas podliehajú rádioaktívnemu rozpadu. V jadre sú však izotopy s menej ako 84 protónmi, ktoré sú však aj rádioaktívne. Faktom je, že stabilitu izotopu možno posudzovať podľa pomeru počtu protónov a neutrónov atómu. Izotop bude nestabilný, ak je rozdiel medzi počtom protónov a neutrónov veľký (veľa protónov a málo neutrónov, alebo málo protónov a veľa neutrónov). Izotop prvku bude stabilný, ak je počet neutrónov a protónov v jeho atóme približne rovnaký.
Preto sa nestabilné izotopy, ktoré podliehajú rádioaktívnemu rozpadu, menia na iné prvky. Proces transformácie bude pokračovať, kým sa nevytvorí stabilný izotop.
Kedy nastáva rádioaktívny rozpad atómu nestabilného prvku? Môže sa to stať kedykoľvek: za pár okamihov alebo za 100 rokov. Ak je však vzorka atómov pre určitý prvok dostatočne veľká, potom je možné odvodiť určitý vzor.
V tabuľke nižšie sú uvedené údaje o polčase rozpadu niektorých rádioaktívnych izotopov
Polčas rozpadu musí byť známy, aby bolo možné určiť čas, kedy sa rádioaktívny prvok stane bezpečným - stane sa to vtedy, keď jeho rádioaktivita klesne natoľko, že ho nemožno zistiť, t.j. po 10 polčasoch rozpadu.
V 30. rokoch sa vedci začali pokúšať kontrolovať jadrové reakcie. V dôsledku bombardovania (zvyčajne neutrónom) sa jadro atómu ťažkého prvku rozdelí na dve ľahšie jadrá. Napríklad:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Takýto proces sa nazýva štiepenie (štiepenie) jadra. V dôsledku toho sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Odkiaľ to pochádza? Ak sa hmotnosti častíc pred a po reakcii zmerajú veľmi presne, ukáže sa, že v dôsledku jadrovej reakcie časť hmoty zmizla bez stopy. Tento úbytok hmoty sa bežne označuje ako hromadný defekt. Miznúca hmota sa premieňa na energiu.
Veľký Albert Einstein prišiel so svojím slávnym vzorcom: E=mc2, kde
E- množstvo energie;
m- hromadný defekt (zmiznutá hmota hmoty);
S- rýchlosť svetla = 300 000 km/s
Keďže rýchlosť svetla je sama o sebe veľmi veľká veličina a vo vzorci je druhá mocnina, aj zanedbateľné „zmiznutie hmoty“ vedie k uvoľneniu dostatočného množstva Vysoké číslo energie.
Z vyššie uvedenej rovnice pre štiepenie uránu-235 je zrejmé, že v procese jadrového štiepenia sa spotrebuje jeden elektrón a tri sa získajú naraz. Tieto tri novozískané elektróny, ktoré sa na svojej ceste stretnú s tromi jadrami uránu-235, vytvoria ďalšie štiepenie, v dôsledku čoho sa získa 9 neutrónov atď. Takáto neustále rastúca kaskáda štiepení sa nazýva reťazová reakcia.
Reťazová reakcia je možná len s tými izotopmi, ktorých štiepením vzniká nadbytok neutrónov. Takže reťazová reakcia s izotopom uránu (urán-238) je nemožná, pretože. uvoľní sa iba jeden neutrón:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Pre jadrové reakcie sa používajú izotopy uránu (urán-235) a plutónu (plutón-239). Na to, aby jadrová reakcia prebehla sama od seba, je potrebné určité množstvo štiepneho materiálu, tzv kritické množstvo. V opačnom prípade bude počet nadbytočných neutrónov nedostatočný na uskutočnenie jadrovej reakcie. Nazýva sa hmotnosť štiepneho materiálu menšia ako kritická hmotnosť podkritické.
A schopnosť používať jadrová energia, pre konštruktívne (jadrová energia) aj deštruktívne (atómová bomba) účely, sa stal možno jedným z najvýznamnejších vynálezov posledného dvadsiateho storočia. V srdci všetkej tej impozantnej sily, ktorá sa skrýva v útrobách malého atómu, sú jadrové reakcie.
Vo fyzike sa jadrové reakcie chápu ako proces interakcie atómové jadro s iným podobným jadrom alebo rôznymi elementárnymi časticami, čo má za následok zmeny v zložení a štruktúre jadra.
Prvú jadrovú reakciu v histórii urobil veľký vedec Rutherford už v roku 1919 počas experimentov na detekciu protónov v produktoch rozpadu jadier. Vedec bombardoval atómy dusíka alfa časticami a keď sa častice zrazili, došlo k jadrovej reakcii.
A takto vyzerala rovnica tejto jadrovej reakcie. Rutherfordovi sa pripisuje objav jadrových reakcií.
Nasledovali početné experimenty vedcov o realizácii rôznych typov jadrových reakcií, napríklad veľmi zaujímavá bola jadrová reakcia spôsobená bombardovaním atómových jadier neutrónmi, ktorú uskutočnil vynikajúci taliansky fyzik E. Fermi. a významné pre vedu. Fermi zistil najmä to, že jadrové premeny môžu spôsobiť nielen rýchle neutróny, ale aj pomalé neutróny, ktoré sa pohybujú tepelnými rýchlosťami. Mimochodom, jadrové reakcie spôsobené vystavením teplote sa nazývajú termonukleárne. Čo sa týka jadrových reakcií pod vplyvom neutrónov, veľmi rýchlo dostali svoj rozvoj vo vede, a čo ešte, prečítajte si o tom ďalej.
Typický vzorec pre jadrovú reakciu.
Vo všeobecnosti možno v súčasnosti známe jadrové reakcie rozdeliť na:
Nižšie píšeme podrobne o každom z nich.
Štiepna reakcia atómových jadier zahŕňa rozpad skutočného jadra atómu na dve časti. V roku 1939 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann objavili atómové štiepenie, pokračujúc vo výskume svojich vedeckých predchodcov, zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti Mendelejevovej periodickej tabuľky, a to rádioaktívne izotopy bárium, kryptón a niektoré ďalšie prvky. Žiaľ, tieto poznatky sa spočiatku využívali na desivé, deštruktívne účely, pretože druhý Svetová vojna a nemeckí a na druhej strane americkí a sovietski vedci sa predháňali vo vývoji jadrové zbrane(ktorý bol založený na jadrovej reakcii uránu), ktorý skončil neslávne známymi „jadrovými hubami“ nad japonskými mestami Hirošima a Nagasaki.
Ale späť k fyzike, jadrová reakcia uránu počas štiepenia jeho jadra má presne rovnakú kolosálnu energiu, akú jej dokázala poskytnúť veda. Ako taká jadrová reakcia prebieha? Ako sme písali vyššie, dochádza k nemu v dôsledku bombardovania jadra atómu uránu neutrónmi, z ktorých sa jadro odštiepi a vznikne obrovská kinetická energia, rádovo 200 MeV. Čo je však najzaujímavejšie, ako produkt jadrovej štiepnej reakcie jadra uránu zo zrážky s neutrónom existuje niekoľko voľných nových neutrónov, ktoré sa naopak zrážajú s novými jadrami, štiepia ich atď. V dôsledku toho je ešte viac neutrónov a ešte viac jadier uránu sa štiepi zrážkami s nimi - dochádza k skutočnej jadrovej reťazovej reakcii.
Takto to vyzerá na diagrame.
V tomto prípade musí byť multiplikačný faktor neutrónov väčší ako jednota nevyhnutná podmienka jadrovej reakcie tohto druhu. Inými slovami, v každej ďalšej generácii neutrónov vzniknutých po rozpade jadier by ich malo byť viac ako v predchádzajúcej.
Stojí za zmienku, že podľa podobného princípu môžu jadrové reakcie počas bombardovania prebiehať aj pri štiepení jadier atómov niektorých iných prvkov s tými nuansami, že jadrá môžu byť bombardované rôznymi elementárnymi časticami, resp. produkty takýchto jadrových reakcií sa budú líšiť, aby sme ich mohli podrobnejšie popísať., potrebujeme celú vedeckú monografiu
Termonukleárne reakcie sú založené na fúznych reakciách, to znamená, že proces je v skutočnosti opačný ako štiepenie, jadrá atómov sa neštiepia na časti, ale navzájom sa spájajú. Uvoľňuje tiež veľa energie.
Termonukleárne reakcie, ako už názov napovedá (termo - teplota) môžu prebiehať len pri veľmi vysoké teploty. Aby sa totiž dve jadrá atómov spojili, musia sa k sebe priblížiť na veľmi blízku vzdialenosť, pričom musia prekonať svoje elektrické odpudzovanie. kladné náboje, je to možné, ak existuje veľká Kinetická energia, čo je zase možné pri vysokých teplotách. Treba poznamenať, že termonukleárne reakcie vodíka sa nevyskytujú, ale nielen na ňom, ale aj na iných hviezdach, možno dokonca povedať, že práve to je základom ich podstaty akejkoľvek hviezdy.
A na záver vzdelávacie video na tému nášho článku, jadrové reakcie.
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 sa rýchle neutróny spomaľujú v bežnej vode obsahujúcej veľké číslo vodíkové jadrá – protóny. 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 súčtu nabíjačka reakčné produkty (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. Počas jadrovej reakcie je kinetická energia výsledných jadier hélia o 17,3 MeV väčšia ako kinetická energia protónu, ktorý vstúpil do reakcie.
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 (akcia je založená na tomto atómová bomba). 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 Slnka a hviezd.
Rozvoj fyziky elementárnych častíc je spojený 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.
