Цепная ядерная реакция. Условия осуществления цепной ядерной реакции

– процесс взаимодействия ядра с элементарной частицей или другим ядром, в процессе которого происходит изменение строения и свойств ядра . Например, испускание ядром элементарных частиц, его деление, испускание фотонов с высокой энергией (гамма-квантов ). Одним из результатов ядерных реакций является образование изотопов, не существующих в естественных условиях на Земле.

Протекать ядерные реакции могут при бомбардировке атомов быстрыми частицами (протоны , нейтроны , ионы , альфа-частицы ).

Больше полезной информации по разным темам – у нас в телерам .

Ядерные реакции

Одна из первых проведенных людьми ядерных реакций была осуществлена Резерфордом в 1919 году с целью обнаружения протона. Тогда еще не было известно, что ядро состоит их нуклонов (протоны и нейтроны ). При расщеплении многих элементов была обнаружена частица, являющаяся ядром атома водорода. На основе опытов Резерфорд сделал предположение, что данная частица входит в состав всех ядер.

Эта реакция как раз и описывает один из экспериментов ученого. В опыте выше газ (азот ) бомбардируется альфа-частицами (ядра гелия ), которые, выбивая из ядер азота протон , превращают его в изотоп кислорода. Запись этой реакции выглядит следующим образом:

При решении задач на ядерные реакции следует помнить, что при их протекании выполняются классические законы сохранения: заряда , момента импульса , импульса и энергии .

Также существует закон сохранения барионного заряда . Это значит, что число нуклонов, участвующих в реакции, остается неизменным. Если мы посмотрим на реакцию, то увидим, что суммы массовых чисел (цифра сверху) и атомных чисе л (снизу) в правой и левой частях уравнения совпадают.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .

Удельная энергия связи ядер

Как известно, внутри ядра на расстояниях порядка его размера действует одно из фундаментальных физических взаимодействий – сильное взаимодействие . Чтобы его преодолеть и «развалить» ядро, необходимо большое количество энергии.

Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая, чтобы расщепить ядро атома на составляющие его элементарные частицы.

Масса любого атомного ядра меньше, чем масса составляющих его частиц. Разность масс ядра и его составляющих нуклонов называется дефектом масс:

Числа Z и N легко определяются при помощи таблицы Менделеева , а почитать о том, как это делается, можно . Энергия связи высчитывается по формуле:

Энергия ядерных реакций

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Существует величина, называемая энергетическим выходом реакции и определяемая формулой

Дельта M – дефект масс, но в данном случае это разница масс между начальными и конечными продуктами ядерной реакции.

Реакции могут протекать как с выделением энергии, так и с ее поглощением. Такие реакции называются соответственно экзотермическими и эндотермическими .
Чтобы протекала экзотермическая реакция , необходимо выполнение следующего условия: кинетическая энергия начальных продуктов должна быть больше кинетической энергии продуктов, образовавшихся в ходе реакции.

Эндотермическая реакция возможна в случае, когда удельная энергия связи нуклонов в исходных продуктах меньше удельной энергии связи ядер конечных продуктов.

Примеры решения задач по ядерной реакции

А теперь пара практических примеров с решением:

Даже если Вам попалась задачка со звездочкой, стоит помнить – нерешаемых задач не существует. Студенческий сервис поможет выполнить любое задание.

· Изомерный переход

См. также: Портал:Физика

Я́дерная реа́кция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году , бомбардируя α-частицами ядра атомов азота , она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны . Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

реакции с образованием составного ядра , это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время , необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил , сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием .

Механизмы ядерной реакции

Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время , то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10 −23 - 10 −21 . При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии , которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции .

Энергия возбуждения

Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии :

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра .

Каналы реакций

Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции . Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру, может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени .

Прямые ядерные реакции

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия .

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах - барнах , равных 10 −24 см².

Выход реакции

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц , называется выходом ядерной реакции . Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции .

Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики . Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа , лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина , чётности , странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора , указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

Закон сохранения энергии

Если , , , - полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия частицы равна её энергии покоя Mc 2 и кинетической энергии E , поэтому:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции ). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c 2 обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической , если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической .

Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счёт снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции . Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями , поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , - векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром . Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

Закон сохранения момента импульса

Ядерная реакция синтеза

Ядерная реакция синтеза - процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания - это так называемый «Кулоновский барьер ». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе . Согласно кинетической теории , кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция - слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения.

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноименно положительно заряжены.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

+ энергия (17,6 МэВ) .

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза .

Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром . Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов . Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными , а явление испускания нуклонов в этих реакциях - ядерным фотоэффектом .

Другие

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц .

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических , то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа - сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия , импульс , момент импульса , …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие , протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики , имеет вид A (a, bcd…) B , где А - ядро мишени, а - бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … - испускаемые частицы (в том числе ядра), В - остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне - более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде.

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция типа , где
- легкие частицы – нейтрон, протон,-частица,-квант.

Реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. На первом этапе частицы, приблизившиеся к ядру, захватываются им, образуя промежуточное ядро – компаунд-ядро. Энергия, привнесенная частицей, перераспределяется между нуклонами, и ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе ядро испускает частицу . .

Если
, то это не ядерная реакция, а процесс рассеяния. Если
- упругое рассеяние, если
- неупругое рассеяние.

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами, происходят без образования промежуточного ядра – это прямые ядерные взаимодействия.

Реакции делятся:

по роду участвующих в ядерных реакциях частиц.

По энергии участвующих частиц (холодные, горячие)

По роду ядер, участвующих в реакции (легкие, средние, тяжелые)

По характеру продуктов, получаемых в результате реакции (элементарные частицы, протоны, нейтроны)

Реакции деления ядер . В 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Реакция характеризуется выделением большого количества энергии. Впоследствии было выяснено, что захватившее нейтрон ядро может делиться разными путями. Продукты деления называются осколками. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как :

Церий - стабилен

Цирконий – стабилен.

Ядро урана делится только быстрыми нейтронами. При меньших энергиях нейтроны поглощаются, и ядро переходит в возбужденное состояние – это радиационный захват.

Нейтроны, которые, образуются в результате деления урана, могут вызвать еще реакцию, и т.д. – это цепная ядерная реакция. Коэффициент размножения нейтронов – это отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. Цепная реакция идет при
.

Из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности, многие нейтроны покидают зону реакции до того как будут захвачены ядром. Если масса делящегося урана меньше некоторой критической, то большинство нейтронов вылетают наружу и цепная реакция не происходит. Если масса больше критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция имеет характер взрыва (на этом основано действие атомной бомбы). В реакторах регулируют критическую массу, поглощая лишние нейтроны кадмиевыми и угольными стержнями.

Слияние легких ядер в более тяжелые – это реакция синтеза. Если реакция происходит при высоких температурах – это термоядерная реакция. Термоядерная реакция является, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.

Типы взаимодействия элементарных частиц.

Развитие физики элементарных частиц связано с изучением космических лучей. Существует 2 типа космического излучения: первичное, приходящее из космоса и состоящее в основном из высокоэнергетичных протонов, и вторичное, которое образуется в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном излучении выделяют жесткую и мягкую компоненты.

Существует 4 типа взаимодействия:

Сильное взаимодействие в 100 раз больше, чем электромагнитное, и в 10 14 раз, чем слабое. Радиус действия сильного 10 -15 м, слабого 10 -19 м.

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.

Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны . Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.