Ядерная реакция лития. Цепная ядерная реакция

Темы кодификатора ЕГЭ : ядерные реакции, деление и синтез ядер.

В предыдущем листке мы неоднократно говорили о расщеплении атомного ядра на составные части. Но как этого добиться в действительности? В результате каких физических процессов можно разбить ядро?

Наблюдения радиоактивного распада в изменяющихся внешних условиях - а именно, при различных давлениях и температурах, в электрических и магнитных полях - показали, что скорость радиоактивного распада от этих условий не зависит. Никаких превращений химических элементов друг в друга все эти факторы вызвать не способны. Очевидно, изменения энергии тут слишком малы, чтобы повлиять на атомное ядро - так ветер, обдувающий кирпичный дом, не в состоянии его разрушить.

Но разрушить дом можно артиллерийским снарядом. И Резерфорд в 1919 году решил воспользоваться наиболее мощными «снарядами», которые имелись тогда в распоряжении. Это были -частицы, вылетающие с энергией около 5 МэВ при радиоактивном распаде урана. (Как вы помните, это те самые снаряды, которыми он восемь лет назад бомбардировал лист золотой фольги в своих знаменитых опытах, породивших планетарную модель атома.)

Правда, превращений золота в другие химические элементы в тех экспериментах не наблюдалось. Ядро золота само по себе весьма прочное, да и к тому же содержит довольно много протонов; они создают сильное кулоновское поле, отталкивающее -частицу и не подпускающее её слишком близко к ядру. А ведь для разбивания ядра -снаряд должен сблизиться с ядром настолько, чтобы включились ядерные силы! Что ж, раз большое количество протонов мешает - может, взять ядро полегче, где протонов мало?

Резерфорд подверг бомбардировке ядра азота и в результате осуществил первую в истории физики ядерную реакцию :

(1)

В правой части (1) мы видим продукты реакции - изотоп кислорода и протон.

Стало ясно, что для изучения ядерных реакций нужно располагать частицами-снарядами высоких энергий. Такую возможность дают ускорители элементарных частиц. Ускорители имеют два серьёзных преимущества перед естественными «радиоактивными пушками».

1. В ускорителях можно разгонять любые заряженные частицы. В особенности это касается протонов, которые при естественном распаде ядер не появляются. Протоны хороши тем, что несут минимальный заряд, а значит - испытывают наименьшее кулоновское отталкивание со стороны ядер-мишеней.

2. Ускорители позволяют достичь энергий, на несколько порядков превышающие энергию α-частиц при радиоактивном распаде. Например, в Большом адронном коллайдере протоны разгоняются до энергий в несколько ТэВ; это в миллион раз больше, чем 5 МэВ у -частиц в реакции (1) , осуществлённой Резерфордом.

Так, с помощью протонов, прошедших через ускоритель, в 1932 году удалось разбить ядро лития (получив при этом две -частицы):

(2)

Ядерные реакции дали возможность искусственного превращения химических элементов.

Кроме того, в продуктах реакций стали обнаруживаться новые, не известные ранее частицы. Например, при облучении бериллия -частицами в том же 1932 году был открыт нейтрон:

(3)

Нейтроны замечательно подходят для раскалывания ядер: не имея электрического заряда, они беспрепятственно проникают внутрь ядра. (При этом ускорять нейтроны не надо - медленные нейтроны легче проникают в ядра. Нейтроны, оказывается, нужно даже замедлять, и делается это пропусканием нейтронов через обычную воду.) Так, при облучении азота нейтронами протекает следующая реакция:

(4)

Энергетический выход ядерной реакции

Обсуждая энергию связи, мы видели, что в результате ядерных процессов масса системы частиц не остаётся постоянной. Это, в свою очередь, приводит к тому, что кинетическая энергия продуктов ядерной реакции отличается от кинетической энергии исходных частиц.

Прежде всего напомним, что полная энергия частицы массы складывается из её энергии покоя и кинетической энергии :

Пусть в результате столкновения частиц и происходит ядерная реакция, продуктами которой служат частицы и :

(5)

Полная энергия системы частиц сохраняется:

(6)

Кинетическая энергия исходных частиц равна . Кинетическая энергия продуктов реакции равна . Энергетический выход ядерной реакции - это разность кинетических энергий продуктов реакции и исходных частиц:

Из (6) легко получаем:

(7)

Если class="tex" alt="Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт с выделением энергии больше кинетической энергии исходных частиц. Из (7) мы видим, что в этом случае суммарная масса продуктов реакции меньше

Если же , то реакция идёт с поглощением энергии : кинетическая энергия продуктов реакции меньше кинетической энергии исходных частиц. Суммарная масса продуктов реакции в этом случае больше суммарной массы исходных частиц.

Таким образом, термины «выделение» и «поглощение» энергии не должны вызывать недоумение: они относятся только к кинетической энергии частиц. Полная энергия системы частиц, разумеется, в любой реакции остаётся неизменной.

1. С помощью таблицы масс нейтральных атомов находим и , выраженные в а. е. м. (для нахождения массы ядра не забываем вычесть из массы нейтрального атома массу электронов).

2. Вычисляем массу исходных частиц, массу продуктов реакции и находим разность масс .

3. Умножаем на и получаем величину , выраженную в МэВ.

Мы сейчас подробно рассмотрим вычисление энергетического выхода на двух примерах бомбардировки ядер лития : сначала - протонами, затем - -частицами.

В первом случае имеем уже упоминавшуюся выше реакцию (2) :

Масса атома лития равна а. е. м. Масса электрона равна а. е. м. Вычитая из массы атома массу трёх его электронов, получаем массу ядра лития :

А. е. м.

Масса протона равна а. е. м., так что масса исходных частиц:

А. е. м.

Переходим к продуктам реакции. Масса атома гелия равна а. е. м. Вычитаем массу электронов и находим массу ядра гелия :

А. е. м.

Умножая на , получаем массу продуктов реакции:

А. е. м.

Масса, как видим, уменьшилась ; это означает, что наша реакция идёт с выделением энергии. Разность масс:

А. е. м.

Выделившаяся энергия:

МэВ.

Теперь рассмотрим второй пример. При бомбардировке ядер лития -частицами происходит реакция:

(8)

Массы исходных ядер нам уже известны; остаётся сосчитать их суммарную массу:

А. е. м.

Из таблицы берём массу атома бора (она равна а. е. м.); вычитаем массу пяти электронов и получаем массу ядра атома бора:

А. е. м.

Масса нейтрона равна а. е. м. Находим массу продуктов реакции:

А. е. м.

На сей раз масса увеличилась class="tex" alt="(m_2 > m_1)"> , то есть реакция идёт с поглощением энергии.

Разность масс равна:

А. е. м.

Энергетический выход реакции:

МэВ.

Таким образом, в реакции (8) поглощается энергия МэВ. Это означает, что суммарная кинетическая энергия продуктов реакции (ядра бора и нейтрона) на МэВ меньше, чем суммарная кинетическая энергия исходных частиц (ядра лития и -частицы). Поэтому чтобы данная реакция в принципе осуществилась, энергия исходных частиц должна быть не меньше МэВ.

Деление ядер

Бомбардируя ядра урана медленным нейтронами, немецкие физики Ган и Штрассман обнаружили появление элементов средней части периодической системы: бария, криптона, стронция, рубидия, цезия и т. д. Так было открыто деление ядер урана.

На рис. 1 мы видим процесс деления ядра (изображение с сайта oup.co.uk.). Захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка , и при этом освобождаются два-три нейтрона.

Рис. 1. Деление ядра урана

Осколки являются ядрами радиоактивных изотопов элементов середины таблицы Менделеева. Обычно один из осколков больше другого. Например, при бомбардировке урана могут встречаться такие комбинации осколков (как говорят, реакция идёт по следующим каналам ).

Барий и криптон:

Цезий и рубидий:

Ксенон и стронций:

В каждой из этих реакций выделяется очень большая энергия - порядка МэВ. Сравните эту величину с найденным выше энергетическим выходом реакции (2) , равным МэВ! Откуда берётся такое количество энергии?

Начнём с того, что из-за большого числа протонов ( штуки), упакованных в ядре урана, кулоновские силы отталкивания, распирающие ядро, очень велики. Ядерные силы, конечно, ещё в состоянии удерживать ядро от распада, но могучий кулоновский фактор готов сказать своё слово в любой момент. И такой момент настаёт, когда в ядре застревает нейтрон (рис. 2 - изображение с сайта investingreenenergy.com).

Рис. 2. Деформация, колебания и разрыв ядра

Застрявший нейтрон вызывает деформацию ядра. Начнутся колебания формы ядра, которые могут стать столь интенсивными, что ядро вытянется в «гантельку». Короткодействующие ядерные силы, скрепляющие небольшое число соседних нуклонов перешейка, не справятся с силами электрического отталкивания половинок гантельки, и в результате ядро разорвётся.

Осколки разлетятся с огромной скоростью - около скорости света. Они и уносят большую часть высвобождающейся энергии (около МэВ из ).

Деление тяжёлых ядер можно истолковать с точки зрения уже известного нам графика зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа (рис. 3 ).

Рис. 3. Деление тяжёлых ядер энергетически выгодно

Цветом выделена область , в которой удельная энергия связи достигает наибольшего значения МэВ/нуклон. Это область наиболее устойчивых ядер. Справа от этой области удельная энергия связи плавно уменьшается до МэВ/нуклон у ядра урана.

Процесс превращения менее устойчивых ядер в более устойчивые является энергетически выгодным и сопровождается выделением энергии. При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления. Умножив это на число нуклонов в ядре урана, получим приблизительно те самые МэВ энергетического выхода, о которых говорилось выше.

Цепная ядерная реакция

Появление двух-трёх нейтронов в процессе деления ядра урана - важнейший факт. Эти нейтроны «первого поколения» могут попасть в новые ядра и вызвать их деление; в результате деления новых ядер возникнут нейтроны «второго поколения», которые попадут в следующие ядра и вызовут их деление; возникнут нейтроны «третьего поколения», которые приведут к делению очередных ядер и т. д. Так идёт цепная ядерная реакция , в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии.

Для протекания цепной ядерной реакции необходимо, чтобы число высвободившихся нейтронов в очередном поколении было не меньше числа нейтронов в предыдущем поколении. Величина

называеся коэффициентом размножения нейтронов . Таким образом, цепная реакция идёт при условии class="tex" alt="k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.

В случае class="tex" alt="k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится неуправляемой . Так происходит взрыв атомной бомбы.

В ядерных реакторах происходит управляемая цепная реакция деления с коэффициентом размножения . Стационарное течение управляемой цепной реакции обеспечивается введением в активную зону реактора (то есть в ту область, где протекает реакция) специальных управляющих стержней, поглощающих нейтроны. При полностью введённых стержнях поглощение ими нейтронов настолько велико, что и реакция не идёт. В процессе запуска реактора стержни постепенно выводят из активной зоны, пока выделяемая мощность не достигнет требуемого уровня. Этот уровень тщательно контролируется, и при его превышении включаются устройства, вводящие управляющие стержни назад в активную зону.

Термоядерная реакция

Наряду с реакцией деления тяжёлых ядер энергетически возможным оказывается и обратный в некотором смысле процесс - синтез лёгких ядер , то есть слияние ядер лёгких элементов (расположенных в начале периодической таблицы) с образованием более тяжёлого ядра.

Чтобы началось слияние ядер, их нужно сблизить вплотную - чтобы вступили в действие ядерные силы. Для такого сближения нужно преодолеть кулоновское отталкивание ядер, резко возрастающее с уменьшением расстояния между ними. Это возможно лишь при очень большой кинетической энергии ядер, а значит - при очень высокой температуре (в десятки и сотни миллионов градусов). Поэтому реакция ядерного синтеза называется термоядерной реакцией .

В качестве примера термоядерной реакции приведём реакцию слияния ядер дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода), в результате которой образуется ядро гелия и нейтрон:

(9)

Эта реакция идёт с выделением энергии, равной МэВ (попробуйте сами провести расчёты и получить данную величину). Это очень много, если учесть, что в реакции участвуют всего нуклонов! В самом деле, в расчёте на один нуклон в реакции (9) выделяется энергия примерно МэВ, в то время как при делении ядра урана выделяется «всего» МэВ на нуклон.

Таким образом, термоядерные реакции служат источником ещё большего количества энергии, чем реакции деления ядер. С физической точки зрения это понятно: энергия реакции ядерного деления есть в основном кинетическая энергия осколков, разогнанных электрическими силами отталкивания, а при ядерном синтезе энергия высвобождается в результате разгона нуклонов навстречу друг другу под действием куда более мощных ядерных сил притяжения.

Проще говоря, при делении ядер высвобождается энергия электрического взаимодействия, а при синтезе ядер - энергия сильного (ядерного) взаимодействия.

В недрах звёзд достигаются температуры, подходящие для синтеза ядер. Свет Солнца и далёких звёзд несёт энергию, выделяющуяся в термоядерных реакциях - при слиянии ядер водорода в ядра гелия и последующем слиянии ядер гелия в ядра более тяжёлых элементов, расположенных в средней части периодической системы. Направление термоядерного синтеза показано на рис. 4 ; синтез лёгких ядер энергетически выгоден, так как направлен в сторону увеличения удельной энергии связи ядра.

Рис. 4. Синтез лёгких ядер энергетически выгоден

Неуправляемая термоядерная реакция осуществляется при взрыве водородной бомбы. Сначала взрывается встроенная атомная бомба - это нужно для создания высокой температуры на первой ступени термоядерного взрыва. При достижении необходимой температуры в термоядерном горючем бомбы начинаются реакции синтеза, и происходит взрыв собственно водородной бомбы.

Осуществление управляемой термоядерной реакции остаётся пока нерешённой проблемой, над которой физики работают уже более полувека. Если удастся добиться управляемого течения термоядерного синтеза, то человечество получит в своё распоряжение фактически неограниченный источник энергии. Это чрезвычайно важная задача, стоящая перед нынешним и будущими поколениями - в свете угрожающей перспективы истощения нефтегазовых ресурсов нашей планеты.

Открытие нейтрона и его свойства

Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции. Рассмотрим сначала свойства нейтрона.
Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.
В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была определена.

α + Be → нейтральное излучение (какое?, γ?).

В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.

α + Be → парафин → p

Регистрировались протоны отдачи с Е р = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием каких частиц они образовывались?
Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Е γ должна была быть ~ 50 МэВ. γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.
Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота. Он сравнил эти результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов сохранения энергии

и импульса

m 1 v = m 1 v 1 + m p v p ;

где N − ядро азота; v 1 − скорость нейтральной частицы после столкновения; m 1 − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона

Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:

α + 9 Ве → 12 С+ n.

Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Е р = 4.3 МэВ.

Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:
масса − m n c 2 = 939.5 МэВ, m n = 1.008665 а. е. м.,
магнитный момент − μ n = −1.91μ я,
спин − J = ћ/2,
время жизни − τ n = (10.61 ±0.16) мин,
среднеквадратичный радиус − = (0.78 ± 0.18)·10 -2 фм 2 .

Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.

11.4 Источники нейтронов

Источники нейтронов − это различные ядерные реакции.


Рис. 88: Спектр нейтронов.

1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция

α + 9 Ве → 12 С+ n + 5.5 МэВ.

Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру
(рис. 88).
При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они вступают в реакцию с 9 Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода 12 C образуется в основном и возбужденном состояниях.
Выход нейтронов ~ 10 7 нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.

2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.

γ + 2 H → p + n, Q = -2.23 МэВ.

Используется ThC" (208 Tl). Он испускает γ-кванты с Е γ ~ 2.62 МэВ и Е n ~ Е р; Т n ~20 кэВ.

3. Фоторасщепление Be фотонами с энергией Е γ = 1.78 МэВ

γ + 9 Ве → 8 Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Т n ~ 100 кэВ.

4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с E d = 16 МэВ в реакции

2 H + 9 Be → 10 B + n + 4.3 МэВ.

Е n = 4 МэВ, выход 10 6 нейтронов в секунду.

5. Реакция 2 H + 2 H → 3 Не + n + 3.2 МэВ,
D + D (лед из тяжелой воды), i?n = 2.5 МэВ.

6. Облучение дейтонами трития

2 H + 3 H → 4 Не + n + 17.6 МэВ.

Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии E d = 0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Е n ~ 14 МэВ.
Этот источник нейтронов используется в геологии.

7. В реакциях срыва под действием дейтонов с E d ~ 200 МэВ на тяжелых ядрах образуются n с
Е n ~ 100 МэВ.

11.5 Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция

Самый мощный источник нейтронов − ядерные реакторы − устройства, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления.
В реакторе происходит деление ядер U и образуются нейтроны с Е n от 0 до 13 МэВ, интенсивность источника 10 19 нейтронов/с см2. Процесс деления идет под действием нейтронов, беспрепятственно проникающих в ядра из-за отсутствия кулоновского потенциального барьера.
При делении ядра образуются радиоактивные осколки и испускается 2-3 n, которые снова вступают в реакцию с ядрами U; идет цепной процесс (рис. 89).

n + 235 U → 236 U → 139 La + 95 Мо + 2n


Рис. 89: Иллюстрация деления ядра 235U.

Для описания процесса деления 235 U используется модель жидкой капли, в которой работает формула Вайцзеккера. После попадания нейтрона в ядро урана происходит конкуренция между поверхностной энергией нового ядра и энергией кулоновского расталкивания. В итоге под действием кулоновских сил ядро делится на два более легких ядра.
Энергия Q, освобождающаяся при делении ядра (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

вычисляется с использованием формулы Вайцзеккера

Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2 1/3)·а сим ·A 2/3 + (1 − 2 2/3)·а кул ·Z 2 ·A -1/3 ;

Q (МэВ) = -4.5A 2/3 + 0.26·Z 2 A -1/3 , ε − удельная энергия связи: Е св /А. Для ядра 235 U Q = 180 МэВ.

Для того, чтобы ядро разделилось, в него должна быть внесена энергия Е > Е а, где Е а Рис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E 0 − основное состояние, E 0 + Е а − возбужденное состояние, Е а − энергия активации
(рис. 90).
Мерой способности ядер к делению служит отношение энергии кулоновского отталкивания протонов к энергии поверхностного натяжения:

где Z 2 /A − параметр деления, чем он больше, тем легче ядро делится; Z 2 /A = 49 критическое значение параметра деления.
Иллюстрация процесса деления ядра приведена на рис. 91.
В ядерном реакторе процесс деления ядер многократно повторяется в результате образования многих поколений деления. В 1-м акте деления 235 U возникает в среднем 2.4 нейтрона. Время жизни одного поколения ~ 10 с. Если происходит рождение K поколений, то образуется ~ 2 K нейтронов через время ~ 2·10 -6 с. Если K = 80, число нейтронов будет 2 80 ~ 10 24 − это приведет к делению 10 24 атомов (140 г урана). Выделяющаяся при этом энергия 3·10 13 вт равна энергии, образующейся при сжигании 1000 тонн нефти.


Рис. 91: Процесс деления ядра, протекающий в ядерном реакторе.

В реакциях деления энергия выделяется в виде тепла. Отвод тепла из реактора осуществляется теплоносителем, к которому предъявляются особые требования. Он должен обладать большой теплоемкостью, слабо поглощать нейтроны и иметь низкую химическую активность. Не будем обсуждать конструктивные особенности элементов ядерного реактора. Заметим только, что при попадании тепловых нейтронов на ядро 235 U образуются быстрые нейтроны, а реакция идет только на медленных нейтронах. Следовательно, необходимо замедлить быстрые нейтроны. Это происходит в замедлителе. В качестве замедлителя используется углерод или тяжелая вода. Остановка процесса деления реализуется с помощью ядер кадмия, которые захватывают образующиеся нейтроны. Таким образом, в конструкцию ядерного реактора обязательно входит замедлитель нейтронов (углерод) и кадмиевые стержни, поглощающие образующиеся нейтроны.
В реакторах используется природный уран 238 U (99.3%) и обогащенный 235 U (0.7%). 235 U делится под действием тепловых нейтронов. 238 U используется в реакторах на быстрых нейтронах.
Процессы, происходящие в реакторе, характеризуются следующими вероятностями:
ν − количество образованных быстрых нейтронов;
ε − коэффициент размножения быстрых нейтронов;
Р − вероятность нейтрону дойти до тепловой энергии;
ƒ − вероятность захвата нейтрона в процессе замедления;
σ t /σ tot − вероятность вызвать реакцию деления.

Произведение этих вероятностей дает оценку коэффициента размножения k тепловых нейтронов в ядерном реакторе:

Цепная реакция идет, если k > 1; входящие в коэффициент размножения величины имеют следующие значения: ν = 2.47; ε = 1.02; Р = 0.89; ƒ = 0.88; σ t /σ tot = 0.54.
Таким образом, k ∞ = 1.07 для реактора бесконечных размеров. В реальных условиях к эф < k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
В реакторах на быстрых нейтронах (239 Ри и 238 U) происходит следующий процесс:

В результате этой реакции воспроизводится 239 Рu. Образовавшийся плутоний вступает в реакцию с нейтроном: n + 239 Рu, образуется ν = 2.41 нейтронов.
Число ядер 239 Ри удваивается через каждые 7-10 лет.
Реакция деления атомных ядер используется для получения атомной энергии. Ядерные реакторы работают на многих атомных электростанциях.

11.6 Реакции слияния, синтез легких ядер

Другим источником атомной энергии может служить синтез легких атомных ядер. Легкие ядра связаны менее прочно, и при их слиянии в тяжелое ядро выделяется больше энергии. Кроме того, термоядерные реакции чище из-за отсутствия сопровождающих их радиоактивных излучений, чем цепные реакции деления.
Для получения термоядерной энергии могут быть использованы следующие реакции синтеза:

d + d = 3 He + n + 4 МэВ,
d + d = t + р + 3.25 МэВ,
d + t = 4 Не + n + 17.б МэВ,
3 Не + d = 4 Нe + р + 18.3 МэВ,
6 Li + 2di = 2 4 Не + 22.4 МэВ. J

Энергия ядер, вступающих в реакцию, должна быть достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. На рис. 92 показана энергетическая зависимость сечений некоторых реакций. Как видно из рисунка, синтез ядер дейтерия d и трития t является наиболее предпочтительным. В этой реакции синтеза низок кулоновский потенциальный барьер и велико сечение взаимодействия при малых энергиях сливающихся ядер. Для протекания реакции необходимо иметь достаточную концентрацию этих ядер в единице объема и достаточную температуру разогретой плазмы.
Число актов слияния R ab в единицу времени в единице объема определяется соотношением

R ab = n a ·n b ·w ab (T).
w ab (T) = σ ab ·v ab ,

где n a , n b − число ядер a, b; σ ab − эффективное сечение реакции, v ab − относительная скорость частиц в плазме, Т − температура. В результате реакции освобождается энергия

W = R ab ·Q ab ·τ,

где R ab − число актов слияния, Q ab − энергия, выделившаяся в 1 акте, τ − время.
Пусть n a = n b = 10 15 ядер/см 3 , Т = 100 кэВ. Тогда W ~ 10 3 вт/см 3 с.
В самоподдерживающейся термоядерной реакции должно выделяться больше энергии, чем идет на нагрев и удержание плазмы. Затраты на нагрев n a = n b = 2n частиц до температуры Т: 3n·kТ: k − постоянная Больцмана. Таким образом, надо удовлетворить условию:

n 2 ·w ab ·Q ab ·τ > 3nkТ

(высвобождающаяся энергия > энергии нагрева).
Лоусон сформулировал следующее условие для реакции слияния d + t:

nτ > 10 14 с·см -3 ,

где nτ − параметр удержания. На рис. 93 показана зависимость этого параметра от температуры. Реакция идет, если nτ > ƒ(T). Температура Т ~ 2·10 8 K соответствует энергии 10 кэВ. Минимальное значение параметра удержания nτ = 10 14 с/см 3 для реакции d + t достигается при температуре 2·10 8 K.

Рис. 93: Зависимость параметров удержания от температуры. Заштрихованная область ƒ(Т) − зона управляемого термоядерного синтеза для реакции d + t. − значения параметров, достигнутые на различных установках к 1980 году.

Для других реакций:

Удержание плазмы, имеющей необходимые условия для протекания реакции, реализуется в установках типа Токамак с помощью магнитного поля. Такие установки работают в России и в ряде других стран. Как видно из рис. 93, режим управляемого термоядерного синтеза пока не достигнут.
Делаются попытки получить необходимые для термоядерного синтеза условия с помощью лазерных установок. В этом случае небольшой объем, в котором заключены ядра дейтерия и трития, обжимается со всех сторон лазерным излучением. При этом ядра дейтерия и трития нагреваются до нужной температуры. Лазерный термояд требует введения коэффициента 100, т.к. велика бесполезная энергия, идущая на накачку лазера.
Попытки осуществить управляемый термоядерный синтез в лабораторных условиях наталкиваются на ряд трудностей.

  1. 1. До сих пор не удается получить устойчивый режим высокотемпературной плазмы.
  2. 2. Велики энергетические потери в плазме даже из-за малых концентраций примесей атомов с большими Z.
  3. 3. Не решена "проблема первой стенки" в Токамаке, ограничивающей плазму реактора (поток нейтронов ее разрушает).
  4. 4. В природе отсутствует радиоактивный тритий t с периодом полураспада Т 1/2 = 12.5 лет, поэтому существует проблема воспроизводства трития в реакции

n + 7 Li = α + t + n.

До сих пор не удалось преодолеть эти трудности и получить управляемую термоядерную реакцию синтеза.
В естественных условиях реакции термоядерного синтеза протекают на Солнце и в звездах.

Литература

  1. 1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.
  2. 2. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. -М.: УППС, 2002.

Определение 1

Ядерной реакцией в широком смысле называют процесс, который происходит в результате взаимодействия нескольких сложных атомных ядер или элементарных частиц. Так же ядерными реакциями называют такие реакции, в которых среди исходных частиц присутствует хотя бы одно ядро, оно стыкается с другим ядром или элементарной частицей, в результате чего происходит ядерная реакция и создаются новые частицы.

Как правило, ядерные реакции происходят под действиями ядерных сил. Однако ядерная реакция распада ядра под действием $\gamma $ -- квантов высоких энергий или быстрых электронов происходит под действием электромагнитных, а не ядерных сил, по той причине, что ядерные силы на фотоны и электроны не действуют. К ядерным реакциям относят процессы, которые происходят при столкновении нейтрино с другими частицами, но они протекают при слабом взаимодействии.

Ядерные реакции могут проходить в природных условиях (в недрах звезд, в космических лучах). Изучение ядерных реакций проходит в лабораториях на экспериментальных установках, в которых энергия заряженным частицам передается с помощью ускорителей. В этом случае более тяжелые частицы находятся в состоянии покоя и их называют частицами-мишенями . На них налетают более легкие частицы, которые входят в состав ускоренного пучка. В ускорителях на встречных пучках в деление на мишени и пучки нет смысла.

Энергия положительно заряженной частицы пучка должна быть порядка или больше кулоновского потенциального барьера ядра. В $1932$ году Дж. Кокрофт и Э. Уолтон впервые осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки протонами, энергия которых была меньшей высоты кулоновского барьера. Проникновение протона в ядро лития произошло путем туннельного перехода через кулоновский потенциальный барьер. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновского потенциального барьера не существует и ядерные реакции могут происходить даже при тепловых энергиях частиц которые налетают.

Самой распространённой и наглядной записью ядерных реакций взято из химии. Слева записывают сумму частиц до реакции, а справа сумму конечных продуктов реакции:

описывает ядерную реакцию, которая происходит в результате бомбардировки изотопа лития ${}^7_3{Li}$ протонами, в результате чего возникает нейтрон и изотоп бериллия ${}^7_4{Be}$.

Ядерные реакции часто записываются в символической форме: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, где $A$ -- ядро мишени, $a$ -- бомбардирующая частица, $bcd\dots и\ B$ -- соответственно частицы и ядро, которые образуются в результате реакции. Реакцию выше можно переписать у виде ${}^7_3{Li}(p,n){}^7_4{Be}$. Иногда используется запись иду $(p,n)$, что значит выбивание нейтрона с некоторого ядра под действием протона.

Количественное описание реакций

Количественное описание ядерных реакций с точки зрения квантовой-механики возможно только статистическим способом, т.е. можно говорить о некоторой вероятности различных процессов, которые характеризуют ядерную реакцию. Таким образом, реакция $a+A\to b+B$, в начальном и конечном состоянии которой есть по две частицы, в этом понимании полностью характеризуется дифференциальным эффективным сечением рассеивания $d\sigma /d\Omega $ внутри телесного кута $d\Omega {\rm =}{\sin \theta \ }\theta d\varphi $, где $\theta $ и $\varphi $ -- полярный и азимутальный углы вылета одной с частиц, при этом угол $\theta $ исчисляется от начала движения бомбардирующей частицы. Зависимость дифференциального сечения от углов $\theta $и $\varphi $ называется угловым распределениям частиц, которые образуют реакцию. Полным или интегральным сечением, которым характеризуется интенсивность реакции, называется дифференциальное эффективное сечение, проинтегрированное по всем значением углов $\theta $ и $\varphi $:

Эффективное сечение можно интерпретировать как площадку, попадая в пределы которой налетающая частица вызовет данную ядерную реакцию. Эффективное сечение ядерной реакции измеряется в барнах $1\ б={10}^{-28}\ м^2$.

Ядерные реакции характеризуются выходом реакции. Выходом ядерной реакции $W$ называется доля частиц пучка, которые получили ядерное взаимодействие с частицами мишени. Если $S$ -- площадь сечения пучка., $I$ -- плотность потока пучка, то на такую же площадь мишени каждую секунду попадает $N=IS$ частиц. С них в одну секунду в среднем реагирует $\triangle N=IS\sigma n$ частиц, где $\sigma $ -- эффективное сечение реакции частиц пучка, $n$ -- концентрация ядер у мишени. Тогда:

Различные классификации ядерных реакций

Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:

  • за природою частиц, которые участвуют в реакции;
  • за массовым числом ядер, которые участвуют в реакции;
  • за энергетическим (тепловым) эффектом;
  • за характером ядерных преобразований.

За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:

  • при малых энергиях ($E\le 1\ кэВ$);
  • при низких энергиях ($1\ кэВ\le E\le 1\ МэВ$);
  • при средних энергиях ($1\ МэВ\le E\le 100\ МэВ$);
  • при значимых энергиях ($100\ МэВ\le E\le 1\ ГэВ)$;
  • при высоких энергиях ($1\ ГэВ\le E\le 500\ ГэВ$);
  • при сверхвысоких энергиях ($E>500\ ГэВ$).

В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:

Рисунок 1.

В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:

  • под действием нейтронов;
  • под действием фотонов;
  • под действием заряженных частиц.

За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:

  • на легких ядрах ($A
  • на средних ядрах ($50
  • на массивных ядрах ($A >100$).

За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:

  • радиационный захват;
  • кулоновское возбуждение;
  • деление ядер;
  • реакция взрыва;
  • ядерный фотоэффект.

При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:

  • закон сохранения энергии;
  • закон сохранения импульса;
  • закон сохранения электрического заряда;
  • закон сохранения барионного заряда;
  • закон сохранения лептонного заряда.

Замечание 1

Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.

Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q

Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.

Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.

1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.

Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)

Например:

2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):

Например:

(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.

Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:

Например:

К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:

р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)

  • 3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
  • 4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).

Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.

Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).

Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):

В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:

По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.

Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-

Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):

  • 93-7,. I 92 7_ I 1
  • 40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.

Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:

Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:

При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.

Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):

при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.

На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:

Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.

Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.

Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).

Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:

Ядро атома азота взаимодействовало с a -частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.

По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.

Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.

Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.

Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой . Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).

Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.

Поделиться: