Теория относительности говорит, что масса - это особая форма энергии. Из этого следует, что можно преобразовать массу в энергию и энергию в массу. На внутриатомном уровне такие реакции имеют место. В частности, некоторое количество массы самого вполне может превратиться в энергию. Это происходит по нескольким путям. Во-первых, ядро может распасться на некоторое количество более мелких ядер, эта реакция называется «распадом». Во-вторых, более мелкие ядра могут запросто соединиться, чтобы получилось более крупное, - это реакция синтеза. Во Вселенной такие реакции весьма распространены. Достаточно сказать, что реакция синтеза - источник энергии для звезд. А вот реакция распада используется человечеством на так как люди научились контролировать эти сложные процессы. Но что же такое цепная ядерная реакция? Как ею управлять?
Что происходит в ядре атома
Цепная ядерная реакция - процесс, идущий при столкновении элементарных частиц или ядер с другими ядрами. Почему «цепная»? Это совокупность последовательных одиночных ядерных реакций. В результате этого процесса происходит изменение квантового состояния и нуклонного состава у исходного ядра, появляются даже новые частицы - продукты реакции. Цепная ядерная реакция, физика которой позволяет исследовать механизмы взаимодействия ядер с ядрами и с частицами, - это основной метод для получения новых элементов и изотопов. Для того чтобы понять протекание цепной реакции, надо вначале разобраться с одиночными.
Что нужно для реакции
Для того чтобы осуществить такой процесс, как цепная ядерная реакция, необходимо сблизить частицы (ядро и нуклон, два ядра) на расстояние радиуса сильного взаимодействия (примерно один ферми). Если расстояния большие, то взаимодействие заряженных частиц будет чисто кулоновским. В ядерной реакции соблюдаются все законы: сохранение энергии, момента, импульса, барионного заряда. Цепная ядерная реакция обозначается набором символов а, b, с, d. Символ а обозначает исходное ядро, b - налетающую частицу, с - новую вылетающую частицу, а d обозначает результирующее ядро.
Энергия реакции
Цепная ядерная реакция может проходить как с поглощением, так и с выделением энергии, которая равняется разности масс частиц после реакции и до нее. Поглощаемая энергия определяет минимальную кинетическую энергию столкновения, так называемый порог ядерной реакции, при которой она может свободно протекать. Данный порог зависит от частиц, которые участвуют во взаимодействии, и от их характеристик. На начальном этапе все частицы находятся в заранее определенном квантовом состоянии.
Осуществление реакции
Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций - как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции - величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.
Механизм реакции
Что такое цепная ядерная реакция? Как уже говорилось, это последовательность более простых реакций. Характеристики налетающей частицы и ее взаимодействия с ядром зависят от массы, заряда, кинетической энергии. Взаимодействие определяется степенью свободы ядер, которые и возбуждаются при столкновении. Получение контроля над всеми этими механизмами позволяет проводить такой процесс, как управляемая цепная ядерная реакция.
Прямые реакции
Если заряженная частица, которая налетает на ядро-мишень, только касается его, то длительность столкновения будет равна необходимому для преодоления расстояния радиуса ядра. Такую ядерную реакцию называют прямой. Общей характеристикой для всех реакций такого типа является возбуждение малого числа степеней свободы. В таком процессе после первого столкновения частица имеет еще достаточно энергии для преодоления ядерного притяжения. К примеру, такие взаимодействия, как неупругое рассеивание нейтронов, обмен заряда, и относятся к прямым. Вклад таких процессов в характеристику под названием "полное сечение" достаточно мизерный. Однако распределение продуктов прохождения прямой ядерной реакции позволяет определить вероятность вылета от угла направления пучка, селективность заселенных состояний и определить их структуру.
Предравновесная эмиссия
Если частица не покинет область ядерного взаимодействия после первого же столкновения, то она будет вовлечена в целый каскад из последовательных столкновений. Это фактически как раз то, что называется цепной ядерной реакцией. В результате такой ситуации кинетическая энергия частицы распределяется среди составляющих частей ядра. Само же состояние ядра будет постепенно сильно усложняться. Во время этого процесса на каком-то нуклоне или же целом кластере (группе нуклонов) может быть сконцентрирована энергия, достаточная для эмиссии этого нуклона из ядра. Дальнейшая релаксация приведет к формированию статистического равновесия и образования составного ядра.
Цепные реакции
Что такое цепная ядерная реакция? Это последовательность ее составных частей. То есть множественные последовательные единичные ядерные реакции, вызванные заряженными частицами, появляются как продукты реакции на предыдущих шагах. Что называется цепной ядерной реакцией? К примеру, деление тяжелых ядер, когда множественные акты деления инициируются полученными при предыдущих распадах нейтронами.
Особенности цепной ядерной реакции
Среди всех химических реакций большое распространение получили именно цепные. Частицы с неиспользованными связями выполняют роль свободных атомов или радикалов. При таком процессе, как цепная ядерная реакция, механизм ее протекания обеспечивают нейтроны, которые не имеют кулоновского барьера и возбуждают ядро при поглощении. Если в среде появляется необходимая частица, то она вызывает цепь последующих превращений, которые будут продолжаться до разрыва цепи из-за потери частицы-носителя.
Почему теряется носитель
Есть всего две причины потери частицы-носителя непрерывной цепи реакций. Первая заключается в поглощении частицы без процесса испускания вторичной. Вторая - уход частички за предел объема вещества, которое поддерживает цепной процесс.
Два типа процесса
Если в каждом периоде цепной реакции рождается исключительно единичная частичка-носитель, то можно назвать этот процесс неразветвленным. Она не может привести к выделению энергии в больших масштабах. Если же появилось много частиц-носителей, то это называется разветвленной реакцией. Что такое цепная ядерная реакция с разветвлением? Одна из полученных в предыдущем акте вторичных частиц продолжит начатую ранее цепь, а вот другие создадут новые реакции, которые тоже будут ветвиться. С этим процессом будут конкурировать приводящие к обрыву процессы. Полученная в результате ситуация будет порождать специфические критические и предельные явления. Например, если обрывов больше, чем чисто новых цепей, то самоподдерживание реакции будет невозможным. Даже если возбудить ее искусственно, введя в данную среду нужное количество частиц, то процесс все равно будет затухать со временем (обычно довольно быстро). Если же количество новых цепей будет превосходить количество обрывов, то цепная ядерная реакция начнет распространяться по всему веществу.
Критическое состояние
Критическим состоянием отделяют область состояния вещества с развитой самоподдерживающейся цепной реакцией, и область, где данная реакция невозможна вообще. Этот параметр характеризуется равенством между количеством новых цепей и числом возможных обрывов. Как и наличие свободной частицы-носителя, критическое состояние является основным пунктом в таком списке, как «условия осуществления цепной ядерной реакции». Достижение этого состояния может быть определено целым рядом возможных факторов. тяжелого элемента возбуждается всего одним нейтроном. В результате такого процесса, как цепная ядерная реакция деления, появляется больше нейтронов. Следовательно, этот процесс может произвести разветвленную реакцию, где носителями и будут выступать нейтроны. В том случае, когда скорость захватов нейтронов без деления или вылетов (скорость потери) будет компенсироваться скоростью размножения несущих частиц, то цепная реакция будет протекать в стационарном режиме. Это равенство характеризует коэффициент размножения. В приведенным выше случае он равен единице. В благодаря введению между скоростью выделения энергии и коэффициентом размножения возможно осуществить управление протеканием ядерной реакции. Если же этот коэффициент будет больше чем единица, то реакция будет развиваться по экспоненте. Неуправляемые цепные реакции используют в ядерном оружии.
Цепная ядерная реакция в энергетике
Реактивность реактора определяется большим количеством процессов, которые происходят в его активной зоне. Все эти влияния определяются так называемым коэффициентом реактивности. Влияние изменения температуры графитовых стержней, теплоносителей или урана на реактивность реактора и интенсивность протекания такого процесса, как цепная ядерная реакция, характеризуются температурным коэффициентом (по теплоносителю, по урану, по графиту). Также есть зависимые характеристики по мощности, по барометрическим показателям, по паровым показателям. Для поддержания ядерной реакции в реакторе необходимо превращение одних элементов в другие. Для этого нужно учитывать условия протекания цепной ядерной реакции - наличие вещества, которое способно делиться и выделять из себя при распаде некоторое количество элементарных частиц, которые, как следствие, будут вызывать деление остальных ядер. В качестве такого вещества зачастую используют уран-238, уран-235, плутоний-239. Во время прохождения цепной ядерной реакции изотопы данных элементов будут распадаться и образовывать два и более других химических веществ. При этом процессе излучаются так называемые «гамма»-лучи, происходит интенсивное выделение энергии, образуются два или три нейтрона, способные продолжить акты реакции. Различают медленные нейтроны и быстрые, ведь для того чтобы ядро атома распалось, эти частички должны пролететь с определенной скоростью.
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.
Ядерные реакции — это процессы, идущие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.
При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки (например, нейтронами) делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтеза происходит превращение легких ядер в более тяжелые.
Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием α-частиц ядер фтора , натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов не испытывали превращений. Очевидно, что их большой электрический заряд не позволял α-частице приблизиться к ядру вплотную.
Ядерная реакция на быстрых протонах.
Для осуществления ядерной реакции необходимо приближение частиц вплотную к ядру, что возможно для частиц с очень большой энергией (особенно для положительно заряженных частиц, которые отталкиваются от ядра). Такая энергия (до 10 5 МэВ) сообщается в ускорителях заряженных частиц протонам, дейтронам и др. частицам. Этот метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивным элементом (энергия которых составляет около 9 МэВ).
Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расще-пить литий на две α-частицы:
Ядерные реакции на нейтронах.
Открытие нейтронов явилось поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Лишен-ные заряда нейтроны беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, например:
Великий итальянский физик Энрико Ферми обнаружил, что медленные нейтроны (окаю 10 4 эВ) более эффективны в реакциях ядерных превращений, чем быстрые нейтропы (около 10 5 эВ). Поэ-тому быстрые нейтроны замедляют в обыкновенной воде, содержащей большое число ядер водоро-да — протонов. Эффект замедления объясняется тем, что при столкновении шаров одинаковой мас-сы происходит наиболее эффективная передача энергии.
Законы сохранения заряда, массового числа и энергии.
Многочисленные эксперименты по различного рода ядерным взаимодействиям показали, что во всех без исключения случаях сохраняется суммарный электрический заряд частиц, участвую-щих во взаимодействии. Другими словами, суммарный электрический заряд частиц, вступающих в ядерную реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции (как это и сле-дует ожидать согласно закону сохранения заряда для замкнутых систем). Кроме того, в ядерных реакциях обычного типа (без образования античастиц) наблюдается сохранение массового ядерно-го числа (т.е. полного числа нуклонов).
Сказанное подтверждается всеми приведенными выше типами реакций (суммы соответствую-щих коэффициентов при ядрах с левой и правой сторон уравнений реакции равны), см. табл.
Оба закона сохранения относятся также и к ядерным превращениям типа радиоактивных распадов.
В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетическим выходом реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реак-ции и после реакции. Согласно сказанному ранее, энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.
Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае - о ее поглощении. Последний случай осуществляется при бомбардировке азота α-частицами, часть энергии переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшихся ядер. При ядерной реакции кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия на 17,3 МэВ больше кинетической энергии вступавшего в реакцию протона.
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
При низких (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции
на легких ядрах ( ядра мишени А < 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Я
дерная может произойти, если две участвующие
в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10 -13
см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод.
между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной частицы
- и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению
частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая
частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота
этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени.
Для ядер, отвечающих со ср. значениями , и бомбардирующих
частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если
в ядерной участвуют частицы, не обладающие зарядом (), кулоновский
потенциальный барьер отсутствует, и ядерные могут протекать с участием частиц,
имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям
).
Обсуждается возможность протекания ядерных не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за
счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые
с диаметром ядра), находящихся в твердой или на пов-сти (напр., с участием ядер , растворенного в );
пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных ("холодного термоядерного
синтеза") нет.
Я
дерные подчиняются тем же общим законам
природы, что и обычные хим. р-ции ( и энергии, сохранения
заряда, импульса). Кроме того, при протекании ядерных действуют и нек-рые
специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения
барионного заряда (барионы - тяжелые ).
Записывать ядерные можно так, как это показано
на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени
ядрами :
Из этой записи видно, что суммы зарядов
слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы (242 + 22 = 259 +
5)
равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его
ат. номер (заряд ядра), то при записи ядерных значения заряда частиц обычно
не указывают. Чаще ядерные записывают короче. Так, ядерную образования
14 С при облучении ядер 14 N записывают
след. образом: 14 N(n, р) 14 С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую
частицу иликвант,
затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант.
В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d,
р), (п, 2п)и др. ядерные
.
При столкновении одних и тех же частиц
ядерные могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени
могут протекать след. ядерные : 27 А1(n,) 28 А1,
27 А1(n,
n) 27 А1,
27 А1(n, 2n) 26 А1,
27 А1(n,
p) 27 Mg,
27 Al(n,) 24 Na
и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом ядерной , а
частицы, рождающиеся в результате ядерной , образуют выходной канал.
Я
дерные могут протекать с выделением и поглощением
энергии Q. Если в общем виде записать ядерную как А(a,
b)В,
то
для такой ядерной энергия равна: Q = [(М А + М а)
- (М в + М b)] x с 2 ,
где М -массы участвующих в ядерной частиц; с - скорость света.
На практике удобнее пользоваться значениями дельтаМ
(см. ), тогда выражение для вычисления
Q имеет
вид:
причем из соображения удобства
обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ
= 1,492443 х 10 -7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается
ядерная , может в 10 6 раз и более превышать энергию, выделяющуюся
или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при ядерной становится заметным
изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия
равна разности сумм масс частиц до и после ядерной . Возможность выделения
огромных кол-в энергии при осуществлении ядерных лежит в основе ядерной
(см. ). Исследование соотношений между энергиями
частиц, участвующих в ядерных , а также соотношений между углами, под к-рыми
происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики
- кинематику ядерных р-ций.
Выходы ядерных , т. е. отношение числа ядерных к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см 2) мишени, обычно не превышают 10 -6 -10 -3 . Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см 2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см 2 мишени, а также значению эффективного сечения ядерной . Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных под действием не более неск. мг , содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной ядерной , значительно меньше.
Бомбардирующие частицы.
Для осуществления
ядерных используют n, р, дейтроны d, тритоны
t,
частицы, тяжелые (12 С, 22 Ne, 40 Аr
и др.), е икванты.
Источниками (см. )при проведении
ядерных служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя,
напр. 226 Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы,
ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев
ядерных выше для с малыми энергиями (тепловые ), то перед
тем, как направить поток на мишень, их обычно замедляют, используя
, и др. материалы. В случае медленных осн. процесс
почти для всех ядер - радиационный захват - ядерная типа
т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету ичастиц.
Под действием протекают цепные р-ции .
В случае использования в качестве бомбардирующих
частиц , дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую
частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя
разл. ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла
преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро.
При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия
связи и в дейтроне относительно мала, и соотв., велико
расстояние между и .
При использовании в качестве бомбардирующих
частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон -
или , второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в
том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения
могут достигаться при проведении ядерных между дейтронами и легкими ядрами
при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому
ядерные с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании
ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих
ядер до т-ры ок. 10 7 К. Такие ядерные называют термоядерными.
В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные
р-ции с участием ,