Классификация ядерных реакций
Ядерные силы
Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.
Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.
Свойства ядерных сил:
1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10–15 м;
3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.
Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.
Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zmp + Nmn) – М.
Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов
Энергия связи атомного ядра Есв равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Есв = Δmс2.
Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10–27 кг.
В физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).
|
|
|
Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:
Для получения ядерной энергии принципиально возможны два метода:
1). деление тяжёлых ядер; 2). синтез лёгких ядер.
Ядерные реакции. Деление и синтез ядер
Искусственная радиоактивность — это распад изотопов, полученных искусственным путём (то есть в результате ядерных реакций).
Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.
Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил.
При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).
Например, осуществлена ядерная реакция 
, в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. А это — альфа-частица. Уравнение имеет вид: 
|
|
|
Наиболее распространенный вид ядерной реакции:
,где X и Y – исходное и конечное ядра; a и b – бомбардирующая и испускающая частицы.
Эндотермическая реакция – это реакция с поглощением энергии:
Экзотермическая реакция – это реакция с выделением энергии:
Примеры ядерных реакций
· Первое наблюдавшееся превращение ядра (Ю. Резерфорд, 1919):
· Первая ядерная реакция на быстрых протонах (1932):
· Открытие нейтрона (Дж. Чедвик, 1932):
· Первое искусственное получение радиоактивного распада и открытие позитрона. Радиоактивный распад под действием α-частиц наблюдал Ф. Жолио-Кюри:
Изотоп фосфора оказался радиоактивным: его ядро распадается с испусканием позитрона и нейтрино:
Классификация ядерных реакций
Ядерные реакции классифицируются:
· по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов, заряженных частиц, γ-квантов;
|
|
|
· по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых, средних, высоких энергиях;
· по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ядрах (А < 50), средних ядрах (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100);
· по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц, реакции захвата.
Деление ядер – это деление атомного ядра урана на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
· Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
· При делении ядер испускаются нейтроны и γ-лучи.
· При делении ядер выделяется большая энергия.
Механизм деления ядер (капельная модель):
В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y.
Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты.
|
|
|
Цепная ядерная реакция – ядерная реакция деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которой число нейтронов возрастает и поэтому может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления.
В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов:
Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер.
Условия протекания цепной ядерной реакции:
· должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны;
· количество вещества, способного делиться, должно быть достаточным для того, чтобы образующиеся нейтроны могли соударяться с другими ядрами, не покидая объем, не испытывая взаимодействия;
· скорость нейтронов должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер.
Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой.
Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена Энрико Ферми в США в 1942 году. А в СССР первая цепная реакция была осуществлена Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 году.
Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами.
Основные элементы ядерного реактора:
· Ядерное горючее (сырьевые и делящиеся вещества в реакторах – изотопы урана, плутоний, торий).
· Замедлитель и отражатель нейтронов, которые способствуют увеличению числа медленных нейтронов, наиболее эффективных для развития цепной реакции деления (графит, тяжелая или обычная вода).
· Регулирующие стержни, которые вводят в активную зону реактора для поддержания стационарного режима реактора, так как быстрое развитие реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора; стержни выполнены из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны (из бора, кадмия).
· Теплоноситель, который необходим для отвода тепла, образующегося в реакторе (вода, жидкий натрий и др.).
· Защитные устройства, которые применяют для защиты персонала, обслуживающего реактор, от действия на организм нейтронных потоков и γ-лучей.
Ядерные реакторы используются: для выработки электрической энергии; для научных исследований; для воспроизводства ядерного топлива и т.д.
Термоядерный синтез
График зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа показывает, что кроме реакции деления тяжелых ядер с выделением энергии идут реакции синтеза легких ядер.
Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии.
Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества.
Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 107 К и выше).
В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд.
Искусственная термоядерная реакция получена в форме неуправляемой реакции при взрыве водородной бомбы.
При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана.
Пример реакции синтеза:
Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·107 К.
При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·1011 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива.
Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены.
В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·1011 т, чему соответствует энергетический запас 1017 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 246; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!