Реакції ядерні у природі. Ядерні реакції та електричний заряд

Ядерна реакція (ЯР) - процес, у якому ядро атома змінюється шляхом дроблення чи з'єднання з ядром іншого атома. Таким чином, вона повинна призводити до перетворення щонайменше одного нукліду на інший. Іноді, якщо ядро взаємодіє з іншим ядром або частинкою без зміни природи будь-якого нукліду, процес відноситься до ядерного розсіювання. Мабуть, найпомітнішими є реакції легких елементів, які впливають виробництво енергії зірок і Сонця. Природні реакції відбуваються у взаємодії космічних променів з речовиною.

Природний ядерний реактор

Найбільш помітною контрольованою людиною реакцією є реакція поділу, яка відбувається в Це пристрої для ініціювання та контролю ядерної ланцюгової реакції. Але існують не лише штучні реактори. Перший природний ядерний реактор у світі було виявлено 1972 року в Окло в Габоні французьким фізиком Френсісом Перріном.

Умови, в яких могла вироблятися природна енергія ядерної реакції, були передбачені в 1956 Полом Кадзуо Курода. Єдине відоме місце у світі складається з 16 ділянок, в яких відбувалися реакції, що самопідтримуються подібного типу. Як вважають, це було приблизно 1,7 мільярда років тому і тривало протягом кількох сотень тисяч років, що було підтверджено наявністю ізотопів ксенону (газоподібного продукту поділу) та різним ставленням U-235/U-238 (збагачення природного урану).

Ядерний поділ

Графік енергії зв'язку передбачає, що нукліди з масою більше 130 а. повинні спонтанно відокремитися один від одного, щоб сформувати більш легкі та стабільні нукліди. Експериментально вчені встановили, що спонтанні реакції розподілу елементів ядерної реакції відбуваються лише найважчих нуклідів з масовим числом 230 чи більше. Навіть якщо це здійснюється, дуже повільно. Період напіврозпаду для спонтанного поділу 238 U, наприклад, становить 10-16 років, або приблизно в два мільйони разів довше, ніж вік нашої планети! Опроміненням зразків важких нуклідів повільними тепловими нейтронами можна індукувати реакції поділу. Наприклад, коли 235 U поглинає тепловий нейтрон, він розбивається на дві частинки з нерівномірною масою та вивільняє в середньому 2,5 нейтрони.

Поглинання нейтрона 238 U індукує коливання в ядрі, які деформують його доти, доки він не розколеться на фрагменти так, як крапля рідини може розлетітися на дрібніші крапельки. Більш ніж 370 дочірніх нуклідів з атомними масами між 72 і 161 а. утворюються при розподілі на тепловому нейтроні 235U, включаючи два продукти, показаних нижче.

Ізотопи ядерної реакції, такі як уран, зазнають індукованого поділу. Але єдиний природний ізотоп 235 U присутній удосталь всього 0,72%. Індуковане поділ цього ізотопу вивільняє в середньому 200 МеВ на атом, або 80 мільйонів кілоджоулів на грам 235 U. Притягнення ядерного поділу як джерела енергії можна зрозуміти, порівнюючи це значення з 50 кДж/г, що вивільняються, коли спалюється природний газ.

Перший ядерний реактор

Перший штучний ядерний реактор був побудований Енріко Фермі та співробітниками під футбольним стадіоном ввели його в експлуатацію 2 грудня 1942 року. Цей реактор, який виробляв кілька кіловат енергії, складався з купи графітових блоків вагою 385 тонн, покладених шарами навколо кубічних ґрат з 40 тонн урану та оксиду урану. Спонтанний поділ 238 U або 235 U у цьому реакторі викликало дуже малу кількість нейтронів. Але досить було урану, так що один з цих нейтронів індукував 235 U, тим самим вивільнивши в середньому 2,5 нейтрону, які каталізували поділ додаткових ядер 235 U ланцюгової реакції (ядерні реакції).

Кількість матеріалу, що розщеплюється, необхідного для підтримки ланцюгової реакції, називається Зелені стрілки показують розкол ядра урану в двох осколках поділу, що випускають нові нейтрони. Деякі з цих нейтронів можуть викликати нові реакції розподілу (чорні стрілки). Деякі нейтрони можуть бути втрачені в інших процесах (сині стрілки). Червоні стрілки показують затримані нейтрони, які надходять пізніше з радіоактивних уламків поділу та можуть викликати нові реакції поділу.

Позначення ядерних реакцій

Розглянемо основні властивості атомів, включаючи атомне число та атомну масу. Атомний номер є числом протонів в ядрі атома, а ізотопи мають однаковий атомний номер, але розрізняються за кількістю нейтронів. Якщо початкові ядра позначаються аі b,а ядра твору позначаються зі d,реакція може бути представлена рівнянням, яке ви можете бачити нижче.

Які ядерні реакції замість використання повних рівнянь скорочуються для легких частинок? У багатьох ситуаціях для опису таких процесів використовується компактна форма: a (b, c) dеквівалентно a + b,що виробляє c+d.Легкі частки часто скорочуються: зазвичай pозначає протон, n -нейтрон, d- Дейтрон, α - альфа-частинку, або гелій-4, β - бета-частку, або електрон, γ - гамма-фотон і т.д.

Види ядерних реакцій

Хоча кількість можливих таких реакцій величезна, їх можна сортувати за типами. Більшість таких реакцій супроводжується гамма-випромінюванням. Ось деякі приклади:

Пружне розсіювання. Відбувається, коли енергія між ядром-мішенню та падаючою частинкою не передається.
Непружне розсіювання. Відбувається, коли енергія передається. Різниця кінетичних енергій зберігається у збудженому нукліді.
Реакція захоплення. Як заряджені, і нейтральні частки можуть захоплюватися ядрами. Це супроводжується випромінюванням -променів. Частинки ядерних реакцій під час реакції нейтронного захоплення називаються радіоактивними нуклідами (індукована радіоактивність).
Реакція передачі. Поглинання частки, що супроводжується випромінюванням однієї або декількох частинок, називається реакцією перенесення.
Реакції поділу. Ядерний поділ є реакцією, у якій ядро атома розщеплюється більш дрібні частини (легші ядра). Процес поділу часто призводить до утворення вільних нейтронів та фотонів (у вигляді гамма-променів) та вивільняє велику кількість енергії.
Реакція злиття. Відбуваються, коли два або більше атомних ядрів стикаються з дуже високою швидкістю і об'єднуються, утворюючи новий тип атомного ядра. Частинки ядерних реакцій злиття дейтерію та тритію особливо цікаві через їх потенціал забезпечення енергії в майбутньому.
Реакція розщеплення. Відбуваються, коли ядро уражається часткою з достатньою енергією та імпульсом, щоб вибити кілька дрібних фрагментів або розбити її на багато фрагментів.
Реакція перегрупування. Це поглинання частинки, що супроводжується випромінюванням однієї або декількох частинок:

197Au (p, d) 196mAu
4He (a, p) 7Li
27Al (a, n) 30P
54Fe (a, d) 58Co
54Fe (a, 2 n) 56Ni
54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Різні реакції перегрупування змінюють кількість нейтронів та кількість протонів.

Ядерний розпад

Ядерні реакції відбуваються, коли нестабільний атом втрачає енергію з допомогою випромінювання. Він є випадковим процесом на рівні одиночних атомів, оскільки відповідно до квантової теорії неможливо передбачити, коли окремий атом розпадатиметься.

Існує багато видів радіоактивного розпаду:

Альфа-радіоактивність. Частинки Alpha складаються з двох протонів та двох нейтронів, пов'язаних разом із частинкою, ідентичною ядру гелію. Через дуже велику масу та її заряд він сильно іонізує матеріал і має дуже короткий діапазон.
Бета-радіоактивність. Вона являє собою високоенергетичні швидкісні позитрони або електрони, випромінювані деякими типами радіоактивних ядер, таких як калій-40. Бета-частинки мають більший діапазон проникнення, ніж альфа-частинки, але все ж таки набагато менше, ніж гамма-промені. Викинуті бета-частинки є формою іонізуючого випромінювання, також відомого як бета-промені ланцюгової ядерної реакції. Отримання бета-часток називається бета-розпадом.
Гамма-радіоактивність. Гамма-промені є електромагнітним випромінюванням дуже високої частоти і, отже, є фотонами високої енергії. Вони утворюються при розпаді ядер за її переході зі стану високої енергії нижчий стан, відоме як гамма-распад. Більшість ядерних реакцій супроводжується гамма-випромінюванням.
Нейтронна емісія. Нейтронна емісія є типом радіоактивного розпаду ядер, що містять надлишкові нейтрони (особливо продукти поділу), в яких нейтрон просто викидається з ядра. Цей тип випромінювання відіграє ключову роль в управлінні ядерними реакторами, тому що ці нейтрони затримані.

Енергетика

Q-значення енергії ядерної реакції - це кількість енергії, що виділяється або поглинена під час реакції. Називається чи Q-значенням реакції. Ця енергія виражається як різниця між кінетичною енергією продукту та величиною реагенту.

Загальний вид реакції: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), де xі Xє реагентами, а yі Y– продуктом реакції, які можуть визначити енергію ядерної реакції, Q – енергетичний баланс.

Q-значення ЯР означає енергію, що вивільняється або поглинена в реакції. Вона також називається енергетичним балансом ЯР, що може бути позитивним чи негативним залежно від характеру.

Якщо Q-значення позитивне, реакція буде екзотермічною, її також називають екзоергічною. Вона вивільняє енергію. Якщо Q-значення негативне, реакція є ендоергічною, або ендотермічною. Такі реакції здійснюються з допомогою поглинання енергії.

У ядерній фізиці подібні реакції визначаються Q-значенням як різниця між сумою мас вихідних реагентів і кінцевих продуктів. Вимірюється в енергетичних одиницях МеВ. Розглянемо типову реакцію, у якій снаряд aі мета Aпоступаються двом продуктам Bі b.

Це може бути виражено так: а + A → B + B , або навіть у більш компактному записі - А (а, б) B. Види енергій у ядерній реакції та значення цієї реакції визначається за формулою:

Q = c 2,

що збігається з надмірною кінетичною енергією кінцевих продуктів:

Q = T final - T початковий

Для реакцій, у яких спостерігається збільшення кінетичної енергії продуктів, Q – позитивно. Позитивні Q-реакції називаються екзотермічними (або екзогенними).

Існує чисте виділення енергії, оскільки кінетична енергія кінцевого стану більше, ніж у початковому стані. Для реакцій, у яких спостерігається зменшення кінетичної енергії продуктів, Q негативно.

Період напіврозпаду радіоактивної речовини є характерною константою. Він вимірює час, необхідний для того, щоб певна кількість речовини зменшилася наполовину внаслідок розпаду і, отже, випромінювання.

Археологи і геологи використовують період напіврозпаду досі щодо органічних об'єктів у процесі, відомому як датування вуглецю. Під час бета-розпаду вуглець 14 перетворюється на азот 14. Під час смерті організми перестають виробляти вуглець 14. Оскільки період напіврозпаду є постійним, відношення вуглецю 14 до азоту 14 забезпечує вимірювання віку зразка.

У медичній області джерелами енергії ядерних реакцій є радіоактивні ізотопи Кобальту 60, який використовувався для променевої терапії зі скорочення пухлин, які будуть видалені хірургічним шляхом, або для знищення ракових клітин в неоперабельних пухлинах. Коли він розпадається на стабільний нікель, то випускає дві відносно високі енергії - гамма-випромінювання. Сьогодні він замінюється системами променевої терапії електронним пучком.

Період напіврозпаду ізотопів від деяких зразків:

кисень 16 - нескінченний;
уран 238 - 4460000000 років;
уран 235 – 713 000 000 років;
вуглець 14 - 5730 років;
кобальт 60 – 5,27 року;
срібло 94 – 0,42 секунди.

Радіовуглецеве датування

При дуже стійкій швидкості нестійкий вуглець 14 поступово розпадається на вуглець 12. Співвідношення цих вуглецевих ізотопів показує вік деяких найстаріших жителів Землі.

Радіовуглецеве датування – це метод, який забезпечує об'єктивні оцінки віку матеріалів на основі вуглецю. Вік можна оцінити, вимірюючи кількість вуглецю 14, що є у зразку, і порівнюючи його з міжнародним стандартним еталоном.

Вплив методу радіовуглецевого датування у світі зробило його однією з значних відкриттів ХХ століття. Рослини та тварини асимілюють вуглець 14 з вуглекислого газу протягом усього життя. Коли вони вмирають, то перестають обмінювати вуглець з біосферою, а вміст 14 вуглецю в них починає знижуватися зі швидкістю, що визначається законом радіоактивного розпаду.

Радіовуглецеве датування - по суті метод, призначений для вимірювання залишкової радіоактивності. Знаючи, скільки вуглецю 14 залишилося у зразку, можна дізнатися вік організму, коли він помер. Слід зазначити, що результати радіовуглецевого датування показують, коли організм живий.

Основні методи вимірювання радіовуглецю

Існують три основних методи, що використовуються для вимірювання вмісту вуглецю 14 в будь-якому заданому пропорційному розрахунку пробовідбірника, рідкому лічильнику сцинтиляційного і мас-спектрометрії прискорювача.

Пропорційний рахунок газу є звичайною радіометричною методикою датування, яка враховує бета-частинки, що випускаються даним зразком. Бета-частинки є продуктами розпаду радіовуглецю. У цьому методі зразок вуглецю спочатку перетворюється на газоподібний діоксид вуглецю перед вимірюванням у пропорційних газових лічильниках.

Сцинтиляційний підрахунок рідин - ще один метод радіовуглецевого датування, який був популярним у 1960-х роках. У цьому методі зразок знаходиться в рідкій формі і додається сцинтилятор. Цей сцинтилятор створює спалах світла, коли він взаємодіє з бета-часткою. Пробірку із зразком пропускають між двома фотомножниками, і коли обидва пристрої реєструють спалах світла, проводиться підрахунок.

Переваги ядерної науки

Закони ядерних реакцій використовують у широкому діапазоні галузей науки та техніки, таких як медицина, енергетика, геологія, космос та захист навколишнього середовища. Ядерна медицина та радіологія - це медичні методи, які включають використання радіації чи радіоактивності для діагностики, лікування та профілактики захворювань. У той час, як радіологія використовувалася майже сторіччя, термін «ядерна медицина» почав застосовуватися близько 50 років тому.

Ядерна енергія використовується протягом десятиліть і є одним із найшвидших енергетичних варіантів для країн, які прагнуть енергетичної безпеки та енергозберігаючих рішень з низьким рівнем викидів.

Археологи використовують широкий спектр ядерних методів визначення віку предметів. Артефакти, такі як Туринська плащаниця, Свитки Мертвого моря та Корона Карла Великого, можуть бути датовані, і їхня справжність перевірена з використанням ядерних методів.

Ядерні методи використовуються у сільськогосподарських спільнотах для боротьби з хворобами. Радіоактивні джерела широко застосовуються у гірничодобувній промисловості. Наприклад, вони використовуються при неруйнівних випробуваннях закупорки трубопроводів і зварних швів, у вимірі щільності матеріалу, що пробивається.

Ядерна наука відіграє цінну роль, допомагаючи нам зрозуміти історію нашого довкілля.

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

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

1. Історія

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція проходила за схемою

2. Закони збереження при ядерних реакціях

Під час ядерних реакцій виконуються загальні закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду.

З іншого боку, існує низка особливих законів збереження, властивих ядерної взаємодії, наприклад, закон збереження барионного заряду.

3. Енергетичний вихід ядерної реакції

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

4. Види ядерних реакцій

4.1. Ядерні реакції синтезу

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

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

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

4.1.1. Ядерний синтез у природі

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

У зірках, маса яких перевищує половину M ☉ , можуть утворюватися й інші, важчі елементи. Цей процес починається з утворення ядер вуглецю в потрійній α-реакції. Ядра, що утворюються, взаємодіють з протонами і α-частинками і, таким чином, утворюються хімічні елементи до залізного піку.

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

4.2. Ядерні реакції розпаду

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

4.3. Поділ ядра

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

Року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанному поділу(на два легких ядра) з виділенням ~ 200 МеВ енергії та випромінюванням двох-трьох нейтронів, але і до вимушеного поділу,ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу також випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається в природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а реакції розподілу здатний тільки уран-235, якого в природному урані міститься всього 0,7%.

Механізм ядерної реакції поділу ось у чому. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається півонія -нуклонна взаємодія), мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами в ядрі, особливо багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів в ядрі це викликає асиметрію щільності ядерних сил і подальшу асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, і асиметрію енергії за обсягом ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від кулястої. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні по масі.

Іноді ядро може тунелювати у стан із меншою енергією.

5. Ядерні реакції у житті людини

5.1. Атомна бомба

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

5.2. Ядерний реактор

Для перетворення теплової енергії розпаду ядер електричну енергію використовують ядерний реактор. Як паливо в реакторі застосовується суміш ізотопів урану-235 та урану-238 або плутоній-239. При попаданні швидких нейтронів до ядра атома урану-238 відбувається його перетворення на плутоній -239 та його наступний розпад із вивільненням енергії. Процес може бути циклічним, проте для цього необхідні реактори, що працюють на швидких нейтронах. Нині як основний компонент у реакторах застосовується нуклід урану-235. Для його взаємодії зі швидкими нейтронами необхідне їхнє уповільнення. Як сповільнювач застосовують:

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

Це незавершена стаття фізики.
Ви можете проектувати,

План:

1 Складове ядро
- 1.1 Енергія збудження
- 1.2 Канали реакцій
2 Перетин ядерної реакції
- 2.1 Вихід реакції
3 Прямі ядерні реакції
4 Закони збереження в ядерних реакціях
- 4.1 Закон збереження енергії
- 4.2 Закон збереження імпульсу
- 4.3 Закон збереження моменту імпульсу
- 4.4 Інші закони збереження
5 Види ядерних реакцій
- 5.1 Розподіл ядра
- 5.2 Термоядерний синтез
- 5.3 Фотоядерна реакція
- 5.4 Інші
6 Запис ядерних реакцій

Вступ

Ядерна реакція літію-6 з дейтерієм 6 Li(d,α)α

Ядерна реакція- процес утворення нових ядер чи частинок при зіткненнях ядер чи частинок. Вперше ядерну реакцію спостерігав Резерфорд у 1919 році, бомбардуючи α-частинками ядра атомів азоту, вона була зафіксована за появою вторинних іонізуючих частинок, що мають пробіг у газі більше пробігу α-часток та ідентифіковані як протони. Згодом камерою Вільсона були отримані фотографії цього процесу.

За механізмом взаємодії ядерні реакції поділяються на два види:

Реакції з утворенням складового ядра, це двостадійний процес, що протікає при невеликій кінетичній енергії часток, що стикаються (приблизно до 10 МеВ).
прямі ядерні реакції, що проходять за ядерний час, необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро. Головним чином такий механізм проявляється при дуже великих енергіях частинок, що бомбардують.

Якщо після зіткнення зберігаються вихідні ядра та частки і не народжуються нові, то реакція є пружним розсіюванням у полі ядерних сил, що супроводжується лише перерозподілом кінетичної енергії та імпульсу частки та ядра-мішені та називається потенційним розсіюванням .

1. Складове ядро

Теорія механізму реакції з утворенням складового ядра була розроблена Нільсом Бором в 1936 спільно з теорією краплинної моделі ядра і лежить в основі сучасних уявлень про велику частину ядерних реакцій.

Відповідно до цієї теорії ядерна реакція йде у два етапи. Спочатку вихідні частинки утворюють проміжне (складове) ядро за ядерний час, тобто час, необхідне для того, щоб частка перетнула ядро, приблизно рівне 10 -23 - 10 -21 с. При цьому складове ядро завжди утворюється в збудженому стані, так як воно має надмірну енергію, що привносить часткою в ядро у вигляді енергії зв'язку нуклону в складовому ядрі і частини його кінетичної енергії, яка дорівнює сумі кінетичної енергії ядра-мішені з масовим числом і частки в системі центр інерції.

1.1. Енергія збудження

Енергія збудження складового ядра, що утворився при поглинанні вільного нуклону, дорівнює сумі енергії зв'язку нуклону та частини його кінетичної енергії:

Найчастіше внаслідок великої різниці в масах ядра і нуклону приблизно дорівнює кінетичній енергії нуклону, що бомбардує ядро.

У середньому енергія зв'язку дорівнює 8 МеВ, змінюючись залежно від особливостей складового ядра, що утворюється, проте для даних ядра-мішені і нуклону ця величина є константою. Кінетична ж енергія бомбардуючої частинки може бути будь-якої, наприклад при збудженні ядерних реакцій нейтронами, потенціал яких не має кулонівського бар'єру, значення може бути близьким до нуля. Таким чином, енергія зв'язку є мінімальною енергією збудження складеного ядра.

1.2. Канали реакцій

Перехід у незбуджений стан може здійснюватися різними шляхами, які називаються каналами реакції. Типи і квантовий стан частинок, що налітають, і ядер до початку реакції визначають вхідний каналреакції. Після завершення реакції сукупність утворених продуктів реакціїта їх квантових станів визначає вихідний каналреакції. Реакція повністю характеризується вхідним та вихідним каналами.

Канали реакції не залежать від способу утворення складеного ядра, що може бути пояснено великим часом життя складеного ядра, воно як би «забуває» яким способом утворилося, отже освіту та розпад складеного ядра можна розглядати як незалежні події. Наприклад, може утворитися як складове ядро в збудженому стані в одній з наступних реакцій:

Згодом, за умови однакової енергії збудження, це складове ядро може розпастися шляхом, зворотним будь-якої з цих реакцій з певною ймовірністю, яка не залежить від історії виникнення цього ядра. Імовірність утворення складового ядра залежить від енергії і від сорту ядра-мішені.

2. Перетин ядерної реакції

Імовірність реакції визначається так званим ядерним перерізом реакції. У лабораторній системі відліку (де ядро-мішень спочиває) можливість взаємодії в одиницю часу дорівнює добутку перерізу (вираженого в одиницях площі) на потік часток, що падають (виражений у кількості частинок, що перетинають за одиницю часу одиничний майданчик). Якщо одного вхідного каналу можуть здійснюватися кілька вихідних каналів, то відносини ймовірностей вихідних каналів реакції дорівнює відношенню їх перерізів. У ядерній фізиці перерізи реакцій зазвичай виражаються у спеціальних одиницях - барнах, рівних 10 -24 см².

2.1. Вихід реакції

Число випадків реакції, віднесене до бомбардували мішень частинок називається виходом ядерної реакції. Ця величина визначається досвіді при кількісних вимірах. Оскільки вихід безпосередньо пов'язаний з перерізом реакції, вимір по суті є вимірюванням перерізу реакції .

3. Прямі ядерні реакції

Перебіг ядерних реакцій можливий і через механізм прямої взаємодії, в основному такий механізм проявляється при дуже великих енергіях частинок, що бомбардують, коли нуклони ядра можна розглядати як вільні. Від механізму складового ядра прямі реакції відрізняються передусім розподілом векторів імпульсів частинок-продуктів щодо імпульсу частинок, що бомбардують. На відміну від сферичної симетрії механізму складового ядра для прямої взаємодії характерний переважний напрямок польоту продуктів реакції вперед щодо напрямку руху частинок, що налітають. Розподіли за енергіями частинок-продуктів у випадках також різні. Для прямої взаємодії характерний надлишок частинок із високою енергією. При зіткненнях із ядрами складних частинок (тобто інших ядер) можливі процеси передачі нуклонів від ядра до ядра чи обмін нуклонами. Такі реакції відбуваються без утворення складеного ядра і їм притаманні всі особливості прямої взаємодії.

4. Закони збереження в ядерних реакціях

При ядерних реакціях виконуються закони збереження класичної фізики. Ці закони накладають обмеження можливість здійснення ядерної реакції. Навіть енергетично вигідний процес завжди виявляється неможливим, якщо супроводжується порушенням будь-якого закону збереження. Крім того, існують закони збереження, специфічні для мікросвіту; деякі з них виконуються завжди, наскільки відомо (закон збереження баріонного числа, лептонного числа); інші закони збереження (ізоспину, парності, дивності) лише пригнічують певні реакції, оскільки виконуються деяких із фундаментальних взаємодій. Наслідками законів збереження є звані правила відбору, що вказують на можливість чи заборона тих чи інших реакцій.

4.1. Закон збереження енергії

Якщо , , , - повні енергії двох частинок до реакції та після реакції, то на підставі закону збереження енергії:

При утворенні більше двох частинок відповідно кількість доданків у правій частині цього виразу має бути більшою. Повна енергія частки дорівнює її енергії спокою Mc 2 та кінетичної енергії Eтому:

Різниця сумарних кінетичних енергій частинок на «виході» та «вході» реакції Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) називається енергією реакції(або енергетичним виходом реакції). Вона задовольняє умову:

Множник 1/ c 2 зазвичай опускають, при підрахунку енергетичного балансу виражаючи маси частинок в енергетичних одиницях (або іноді енергії в масових одиницях).

Якщо Q> 0, то реакція супроводжується виділенням вільної енергії та називається екзоенергетичної , якщо Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется ендоенергетичної .

Легко помітити, що Q> 0 тоді, коли сума мас частинок-продуктів менше суми мас вихідних частинок, тобто виділення вільної енергії можливе лише рахунок зниження мас реагуючих частинок. І навпаки, якщо сума мас вторинних частинок перевищує суму вихідних мас, то така реакція можлива лише за умови витрати якоїсь кількості кінетичної енергії на збільшення енергії спокою, тобто мас нових частинок. Мінімальне значення кінетичної енергії налітає частки, при якій можлива ендоенергетична реакція, називається пороговий енергією реакції. Ендоенергетичні реакції називають також пороговими реакціямиоскільки вони не відбуваються при енергіях частинок нижче порога.

4.2. Закон збереження імпульсу

Повний імпульс частинок до реакції дорівнює повному імпульсу частинок продуктів реакції. Якщо , , , - вектори імпульсів двох частинок до реакції та після реакції, то

Кожен із векторів може бути незалежно виміряний на досвіді, наприклад, магнітним спектрометром. Експериментальні дані свідчать, закон збереження імпульсу справедливий як із ядерних реакціях, і у процесах розсіювання мікрочастинок.

4.3. Закон збереження моменту імпульсу

Момент кількості руху зберігається при ядерних реакціях. В результаті зіткнення мікрочастинок утворюються лише такі складові ядра, момент імпульсу яких дорівнює одному з можливих значень моменту, що виходить при складанні власних механічних моментів (спинів) частинок та моменту їхнього відносного руху (орбітального моменту). Канали розпаду складового ядра можуть бути лише такими, щоб зберігався сумарний момент кількості руху (сума спинового і орбітального моментів).

4.4. Інші закони збереження

при ядерних реакціях зберігається електричний заряд - алгебраїчна сума елементарних зарядів до реакції дорівнює сумі алгебри зарядів після реакції.
при ядерних реакціях зберігається число нуклонів, що у найзагальніших випадках інтерпретується як збереження баріонного числа. Якщо кінетичні енергії нуклонів, що стикаються, дуже високі, то можливі реакції народження нуклонних пар. Оскільки нуклонам та антинуклонам приписуються протилежні знаки, то за будь-яких процесів алгебраїчна сума баріонних чисел завжди залишається незмінною.
при ядерних реакціях зберігається число лептонів (точніше, різниця кількості лептонів та кількості антилептонів, див. Лептонне число).
при ядерних реакціях, які протікають під впливом ядерних чи електромагнітних сил, зберігається парність хвильової функції, що описує стан частинок до реакції і після. парність хвильової функції не зберігається в перетвореннях, обумовлених слабкими взаємодіями.
при ядерних реакціях, зумовлених сильними взаємодіями, зберігається ізотопічний спин. Слабкі та електромагнітні взаємодії ізоспін не зберігають.

5. Види ядерних реакцій

Ядерні взаємодії з частинками носять дуже різноманітний характер, їх види і ймовірності тієї чи іншої реакції залежать від виду частинок, що бомбардують, ядер-мішеней, енергій взаємодіючих частинок і ядер і багатьох інших факторів.

5.1. Поділ ядра

Поділ ядра- процес розщеплення атомного ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати й інші продукти реакції: легкі ядра (в основному альфа-частинки), нейтрони та гамма-кванти. Поділ буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, насамперед, з нейтронами). Розподіл важких ядер - екзотермічний процес, у результаті якого вивільняється велика кількість енергії як кінетичної енергії продуктів реакції, і навіть випромінювання.

Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї.

5.2. Термоядерний синтез

При нормальній температурі злиття ядер неможливе, оскільки позитивно заряджені ядра зазнають величезних сил кулонівського відштовхування. Для синтезу легких ядер необхідно зблизити їх на відстань близько 10 -15 м, на якому дія ядерних сил тяжіння перевищуватиме кулонівські сили відштовхування. Для того щоб відбулося злиття ядер, необхідно збільшити їхню рухливість, тобто збільшити їхню кінетичну енергію. Це досягається підвищенням температури. За рахунок отриманої теплової енергії збільшується рухливість ядер і вони можуть підійти один до одного на такі близькі відстані, що під дією ядерних сил зчеплення зіллються в нове складніше ядро. В результаті злиття легких ядер звільняється велика енергія, так як нове ядро, що утворилося, має більшу питому енергію зв'язку, ніж вихідні ядра. Термоядерна реакція- це екзоенергетична реакція злиття легких ядер за дуже високої температури (10 7 К).

Насамперед, у тому числі слід відзначити реакцію між двома ізотопами (дейтерій і тритій) дуже поширеного Землі водню, у результаті якої утворюється гелій і виділяється нейтрон. Реакція може бути записана у вигляді

+ Енергія (17,6 МеВ).

Виділена енергія (що виникає через те, що гелій-4 має дуже сильні ядерні зв'язки) переходить у кінетичну енергію, більшу частину з якої, 14,1 МеВ, забирає з собою нейтрон як легша частка. Ядро, що утворилося, міцно пов'язане, тому реакція так сильно екзоенергетична. Ця реакція характеризується нижчим кулонівським бар'єром і великим виходом, тому вона становить особливий інтерес для термоядерного синтезу.

Термоядерна реакція використовується в термоядерній зброї і знаходиться на стадії досліджень для можливого застосування в енергетиці у разі вирішення проблеми управління термоядерним синтезом.

5.3. Фотоядерна реакція

При поглинанні гамма-кванту ядро одержує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро з надлишком енергії є складовим ядром. Як і інші ядерні реакції, поглинання ядром гамма-кванту можливе лише при виконанні необхідних енергетичних та спинових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевищує енергію зв'язку нуклону в ядрі, то розпад складеного ядра, що утворився, відбувається найчастіше з випусканням нуклонів, в основному нейтронів. Такий розпад веде до ядерних реакцій і , які називаються фотоядерними, А явище випромінювання нуклонів у цих реакціях - ядерним фотоефектом.

5.4. Інші

6. Запис ядерних реакцій

Ядерні реакції записуються у вигляді спеціальних формул, у яких зустрічаються позначення атомних ядер та елементарних частинок.

Перший спосібнаписання формул ядерних реакцій аналогічний запису формул хімічних реакцій, тобто, зліва записується сума вихідних частинок, праворуч - сума частинок (продуктів реакції), що вийшли, а між ними ставиться стрілка.

Так, реакція радіаційного захоплення нейтрона ядром кадмію-113 записується так:

Ми, що число протонів і нейтронів праворуч і ліворуч залишається однаковим (баріонне число зберігається). Це саме стосується електричних зарядів, лептонних чисел та інших величин (енергія, імпульс, момент імпульсу, …). У деяких реакціях, де бере участь слабка взаємодія, протони можуть перетворюватися на нейтрони і навпаки, проте їх сумарне число не змінюється.

Другий спосібзаписи, зручніший для ядерної фізики, має вигляд A (a, bcd ...) B, де А- ядро мішені, а- Бомбардуюча частка (у тому числі ядро), b, с, d, …- Частки, що випускаються (у тому числі ядра), У- Залишкове ядро. У дужках записуються легші продукти реакції, поза - важчі. Так, вищенаведена реакція захоплення нейтрону може бути записана у такому вигляді:

Реакції часто називають за сукупністю частинок, що налітають і випускаються, що стоять у дужках; так, вище записано типовий приклад ( n, γ)-реакції.

Перше примусове ядерне перетворення азоту на кисень, яке провів Резерфорд, обстрілюючи азот альфа-частинками, записується у вигляді формули

Де – ядро атома водню, протон.

У «хімічному» записі ця реакція виглядає як

завантажити .

РЕАКЦІЇ ЯДЕРНІ У ПРИРОДІ - поділяються на 2 класи: термоядерні реакції та реакції під дією ядерноактивних частинок та поділу ядер. Перші вимагають для свого здійснення температуру ~ кілька млн. градусів і протікають лише в надрах зірок або вибухів H-бомб. Другі відбуваються в атмосфері та літосфері за рахунок космічного опромінення та за рахунок ядерноактивних частинок у верхніх оболонках Землі. Швидкі космічні частинки (середня енергія ~2 10 9 ев), потрапляючи в атмосферу Землі, нерідко викликають повне розщеплення атомів атмосфери (N, О) на більш легкі ядерні уламки, включаючи нейтрони.Швидкість утворення останніх досягає величини 2,6 нейтрону (см -2 с -1). Нейтрони взаємодіють переважно з N атмосфери, забезпечуючи постійне утворення радіоактивних ізотопіввуглецю С 14 (T 1/2 = 5568 років) та тритію H 3 (T 1/2 = 12,26 років) за наступними реакціями N 14 + п= З 14 + Н 1; N 14 + n= З 12 + Н3. Щорічне утворення радіовуглецю у земній атмосфері становить близько 10 кг. Відзначено також утворення в атмосфері радіоактивних Be 7 та Cl 39 . Реакції ядерні в літосфері відбуваються в основному за рахунок α-часток і нейтронів, що виникають при розпаді радіоактивних елементів, що довго живуть (в основному U і Th). Слід зазначити накопичення Не 3 деяких м-лах, що містять Li (див. Ізотопи гелію в геології),утворення окремих ізотопів неону в евксеніті, монациті та ін. М-лах за реакціями: Про 18 + Не 4 = Ne 21 + п; Fe 19 + Не = Na 22 + п; Na 22 → Ne 22 . Утворення ізотопів аргону в радіоактивних м-лах за реакціями: Cl 35 + Не = Ar 38 + n; Cl 35 + Не = К 38 + Н 1; До 38 → Ar 38 . При спонтанному та нейтронно-індукованому поділі урану спостерігається утворення важких ізотопів криптону та ксенону. (Див. Метод визначення абсолютного віку ксеноновий).У м-лах літосфери штучне розщеплення атомних ядер викликає накопичення деяких ізотопів у кількості 10 -9 -10 -12 % маси м-ла.

Геологічний словник: у 2-х томах. - М: Надра. За редакцією К. Н. Паффенгольця та ін.. 1978 .

Дивитися що таке "РЕАКЦІЇ ЯДЕРНІ У ПРИРОДІ" в інших словниках:

Ядерна фізика Атомне ядро · Радіоактивний розпад · Ядерна реакція Основні терміни Атомне ядро · Ізотопи · Ізобари · Період напіврозпаду · Ма … Вікіпедія

Ядерні реакції між легенями ат. ядрами, що протікають при дуже високих темпах (=108К і вище). Високі темп ри, т. е. досить великі відносні енергії ядер, що стикаються, необхідні для подолання електростатич. бар'єру, … Фізична енциклопедія

Хім. перетворення і ядерні процеси, в яких поява проміжної активної частки (вільного радикала, атома, збудженої молекули в хімічних перетвореннях, нейтрона в ядерних процесах) викликає ланцюг перетворень вихідних у ст. Приклади хім. Ц. р. Хімічна енциклопедія

Один із нових напрямків совр. геол. науки, що тісно змикається з суміжними розділами фізики атомного ядра, геохімії, радіохімії, геофізики, космохімії та космогонії та охоплює складні проблеми природної еволюції атомних ядер у природі та… Геологічна енциклопедія

Стабільні та радіоактивні ізотопи, що утворюються в природних об'єктах під дією космічного випромінювання, напр., за схемою: XАz + Р → YAZ + an + bр, в якій А = A1 + an + (b 1) р; Z = Z1. + (b 1) p, де ХAz вихідне ядро, Р швидкий ... Геологічна енциклопедія

Термоядерний синтез, реакція злиття легких атомних ядер у важчі ядра, що відбувається при надвисокій температурі і супроводжується виділенням величезних кількостей енергії. Ядерний синтез – це реакція, обернена до поділу атомів: в останній… … Енциклопедія Кольєра

Ядерні процеси Радіоактивний розпад Альфа розпад Бета розпад Кластерний розпад Подвійний бета розпад Електронний захоплення Подвійне електронне захоплення Гамма випромінювання Внутрішня конверсія Ізомерний перехід Позитронний розпад…

94 Нептуній ← Плутоній → Америці Sm Pu … Вікіпедія

Ядерна фізика … Вікіпедія

Книги

Одержання ядерної енергії та рідкісних та дорогоцінних металів внаслідок ядерних перетворень. Енергія зв'язку та потенційна енергія електричної взаємодії електричних зарядів у нейтроні, дейтроні, тритії, гелії-3 та гелії-4
Одержання ядерної енергії та рідкісних та дорогоцінних металів внаслідок ядерних перетворень. Енергія зв'язку та потенційна енергія електричної взаємодії електричних зарядів у нейтроні, дейтр, Ларін В.І.

Перша ядерна реакція на землі відбулася в Африці близько двох мільярдів років тому. Вчені припускають, що тоді в ході геологічних процесів було створено своєрідну атомну установку потужністю 100 кіловат, яка пульсувала кожні три години протягом 150 тис. років.

Сліди існування цих природних ядерних реакторів було виявлено в районі Окло африканської держави Габон у 1972 році. Вчені виявили, що уран в урановій руді, виявленій там, піддавався ланцюговій ядерній реакції. В результаті вивільнялася велика кількість енергії у вигляді тепла – аналогічний принцип використовується у сучасних ядерних реакторах.

При цьому залишається загадкою, чому ядерна реакція в Африці не призвела до вибуху. На атомних електростанціях використовують сповільнювач ядерних реакцій. Вчені вважають, що у природних умовах таким сповільнювачем реакції стала вода гірських струмків. Вода уповільнює рух нейтронів і таким чином зупиняє ядерну реакцію. Реактор якийсь час охолоджується, але потім під впливом енергії нейтронів вода нагрівається знову, закипає, і ядерна реакція триває.

Алекс Мешик та його колеги з університету Вашингтона в Сент-Луїсі, Міссурі, виявили велике ксенону – продукту розщеплення атомного ядра – у мінералі, що є фосфатом алюмінію, біля скель Окло. Ксенон – це газ, але під час охолодження природного ядерного реактора його частина збереглася в застиглому вигляді у фосфаті алюмінію. Вчені вимірюють кількість ксенону для того, щоб обчислити, наскільки тривалими були періоди нагрівання та охолодження ядерного реактора.

Сучасні ядерні реактори виробляють радіоактивний ксенон і подібний з ним інертний газ криптон, але обидва ці гази випаровуються в атмосферу. Тільки за природних умов ці гази утримуються всередині кристалічної структури фосфату. "Може, це допоможе нам навчитися утримувати ці гази у ядерних реакторах", – каже Алекс Мешик.

Ядерні реакції постійно відбуваються на зірках. Більше того, термоядерні реакції - один із різновидів ядерних реакцій - основне джерело енергії на зірках. Однак ядерні реакції в зірках проходять повільніше, ніж ми думаємо, і, як наслідок, самі зірки, а також галактики і весь всесвіт трохи старший, ніж прийнято вважати - це випливає з останніх астрофізичних експериментів в італійських горах Гран Сассо.

Більшість енергії, що випускається нашими зірками - це енергія, що виділяється при реакції злиття чотирьох ядер водню з утворенням ядер літію. А ядра літію, що отримуються, залучаються в так званий вуглець-азот-кисневий цикл. Швидкість протікання цього циклу визначається найповільнішою з реакцій, що беруть участь у ньому, тією, яка призводить до утворення ядер кисню в результаті злиття ядер азоту з протоном. Домогтися такого злиття штучно неважко – вважають вчені. Проблема полягає в тому, щоб зробити це на тому ж енергетичному рівні, що має місце в зірках. А цей рівень відносно низький, він забезпечує всього кілька реакцій на день, завдяки чому і існує життя, принаймні, на нашій планеті – інакше (при швидкій взаємодії протона з азотом) Сонце вже давно витратило б свою енергію, залишивши всю систему в холодній імлі. У модельних підземних експериментах з'ясувалося, що вуглець-азот-кисневий цикл проходить вдвічі повільніше, ніж передбачалося, отже вік найстаріших зоряних скупчень, яким судять про вік всесвіту, збільшується. І якщо за колишніми підрахунками всесвіту було 13 мільярдів років, то тепер їй не менше 14 мільярдів – заявляє директор лабораторій Гран Сассо Еуженіо Коччіа (Eugenio Coccia).