ядерна реакція

ядерна реакція

Реакція між 6 Li і дейтерієм з утворенням двох альфа-частинок.

Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно, або в зіткненнях частинок речовини з високою енергією. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічним і екзотермічним.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду і реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра. Терміни розпад ядра і розподіл ядра означають абсолютно різні типи реакцій [].

1. Історія

Першу штучно викликаної ядерної реакції спостерігав в 1919 році Ернест Резерфорд. опромінюючи альфа-частками азот. Реакція проходила за схемою

.

2. Закони збереження при ядерних реакціях

Крім того, існує ряд спеціальних законів збереження, властивих ядерної взаємодії, наприклад, закон збереження баріонів заряду.

3. Енергетичний вихід ядерної реакції

Якщо сума мас спокою частинок в реакції більше суми мас спокою частинок після реакції, то така реакція відбувається з виділенням енергії. Таку енергію називають енергетичним виходом ядерної реакції. Енергетичний вихід ядерної реакції обчислюється за формулою ΔE = Δmc 2, де Δm - дефект маси. c - швидкість світла.

4. Види ядерних реакцій

4.1. Ядерні реакції синтезу

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, більш важкі ядра.

Зазвичай реакції синтезу можливі тільки в умовах, коли ядра мають велику кінетичну енергію, оскільки сили електростатичного відштовхування перешкоджають зближенню однаково заряджених ядер, створюючи так званий кулонівський бар'єр.

Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок. в яких іони, протони або α-частинки прискорюють електричним полем, або термоядерних реакторів, де іони речовини набувають кінетичної енергії за рахунок теплового руху. В останньому випадку мова ведуть про реакцію термоядерного синтезу.

4.1.1. Ядерний синтез в природі

У природі реакції синтезу почалися в перші хвилини після Великого вибуху. Під час первинного нуклеосинтезу з протонів утворилися лише деякі легкі ядра (дейтерію. Гелію. Літію).
Зараз ядерні реакції відбуваються в ядрах зірок, наприклад, в Сонце. Основним процесом є утворення ядра гелію з чотирьох протонів, що може відбуватися або в протон-протонної ланцюжку. або в циклі Бете-Вайцзекера.

У зірках, маса яких перевищує половину M ☉. можуть утворюватися й інші, більш важкі елементи. Цей процес починається з освіти ядер вуглецю в потрійний α-реакції. Утворені ядра взаємодіють з протонами і α-частинками і, таким чином, утворюються хімічні елементи до залізного піку.

Освіта важких ядер (від заліза в Вісмут) відбувається в оболонках досить масивних зірок на стадії червоного гіганта основному завдяки s-процесу і, частково, завдяки p-процесу. Наважчі (нестабільні) ядра утворюються під час спалахів наднових.

4.2. Ядерні реакції розпаду

Реакціями розпаду обумовлено альфа-і бета-радіоактивність. При альфа-розпаді з ядра вилітає альфа-частинки 4 He, а масове число і Зарядове числа ядра змінюються на 4 і 2 відповідно. При бета-розпаді з ядра вилітає електрон або позитрон, масове число ядра не змінюється, а Зарядове збільшується або зменшується на 1. Обидва типи розпаду відбуваються спонтанно.

4.3. поділ ядра

Невелика кількість ізотопів здатна до поділу - реакції при якій ядро ​​ділиться на дві великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під впливом інших частинок, в основному - нейтронів.

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не тільки до спонтанного поділу (на два легких ядра) з виділенням

200 МеВ енергії і випромінюванням двох-трьох нейтронів, але і до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. З огляду на, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається в природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а в реакції поділу здатний тільки уран-235, якого в природному урані міститься лише 0,7%.

Механізм ядерної реакції поділу полягає в наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (в більшості випадків відбувається півонія -нуклонного взаємодія), мають нецентральних характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами в ядрі, особливо в багатонуклонніх ядрах. При великій кількості нуклонів в ядрі це викликає асиметрію щільності ядерних сил і подальшої асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, і асиметрію енергії за обсягом ядра. Ядро набуває форму, яка істотно відрізняється від кулястої. В такому випадку електростатичне взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр ділення долається, і ядро ​​розпадається на більш легкі ядра, асиметричні по масі.

Іноді ядро ​​може туннелировать в стан з меншою енергією.

5. Ядерні реакції в житті людини

5.1. Атомна бомба

Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер в ХХ столітті стали застосовувати в атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції необхідно мати критичну масу (масу, необхідну для розвитку ланцюгової реакції), то для здійснення атомного вибуху кілька частин з масами менше критичної, з'єднуються, утворюється надкритична маса і в ній виникає ланцюгова реакція поділу, що супроводжується вивільненням великої кількості енергії - відбувається атомний вибух.

5.2. Ядерний реактор

Для перетворення теплової енергії розпаду ядер в електричну енергію використовують ядерний реактор. Як паливо в реакторі застосовується суміш ізотопів урану-235 і урану-238 або плутоній-239. При попаданні швидких нейтронів до ядру атома урану-238 відбувається його перетворення в плутоній -239 і його подальший розпад з вивільненням енергії. Процес може бути циклічним, однак для цього необхідні реактори, що працюють на швидких нейтронах. Зараз же як основний компонент в реакторах застосовується нуклід урану-235. Для його взаємодії з швидкими нейтронами необхідно їх уповільнення. Як сповільнювач застосовують:

  • графіт - добре уповільнення, слабке поглинання, придатний для Урана-238 в якості палива
  • воду:
    • "Легка вода" H 2 O - дуже добре уповільнення, значне поглинання нейтронів, що негативно позначається на кількості вивільненої енергії
    • важка вода D 2 O - дуже добре уповільнення, слабке поглинання нейтронів.

За типом використовуваної води в реакторах, D 2 O або H 2 O, реактори діляться на важководяних і легководяних відповідно. У важководяних реакторах як пальне використовується нуклід урану-238, в легководяних - Уран-235. Для управління реакцією розпаду і її припинення застосовують регулювальні стрижні, що містять ізотопи бору або кадмію. Енергію, яка виділяється під час ланцюгової реакції поділу, виводить теплоносій. Тому він нагрівається, і при попаданні в воду він нагріває її, перетворюючи в пар (часто теплоносієм є сама вода). Пара звертає парову турбіну, яка обертає ротор генератора змінного струму.