Надо Знать![]() |
Введение![]() Реакция между 6 Li и дейтерием с образованием двух альфа-частиц. Ядерная реакция - явление преобразования ядер атомов химических элементов и элементарных частиц. Ядерные реакции могут происходить спонтанно, или в столкновениях частиц вещества с высокой энергией. Спонтанные ядерные превращения является причиной естественной радиоактивности. Как и химические реакции, ядерные реакции могут быть эндотермическим и экзотермическим. Ядерные реакции подразделяются на реакции распада и реакции синтеза. Особым типом ядерной реакции является деление ядра. Сроки распад ядра и деление ядра означают совершенно разные типы реакций [ ]. 1. ИсторияПервую искусственно вызванной ядерной реакции наблюдал в 1919 году Эрнест Резерфорд, облучая альфа-частицами азот. Реакция проходила по схеме
2. Законы сохранения при ядерных реакцияхВо время ядерных реакций выполняются общие законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда. Кроме того, существует ряд особых законов сохранения, присущих ядерной взаимодействия, например, закон сохранения барионного заряда. 3. Энергетический выход ядерной реакцииЕсли сумма масс покоя частиц в реакции больше суммы масс покоя частиц после реакции, то такая реакция происходит с выделением энергии. Такую энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции. Энергетический выход ядерной реакции вычисляется по формуле ΔE = Δmc 2, где Δm - дефект массы, c - скорость света. 4. Виды ядерных реакций4.1. Ядерные реакции синтезаВо время ядерных реакций синтеза из легких ядер элементов образуются новые, более тяжелые ядра. Обычно реакции синтеза возможны только в условиях, когда ядра имеют большую кинетическую энергию, поскольку силы электростатического отталкивания препятствуют сближению одинаково заряженных ядер, создавая так называемый кулоновский барьер. Искусственным путем этого удается достичь с помощью ускорителей заряженных частиц, в которых ионы, протоны или α-частицы ускоряют электрическим полем, или термоядерных реакторов, где ионы вещества приобретают кинетической энергии за счет теплового движения. В последнем случае речь ведут о реакции термоядерного синтеза. 4.1.1. Ядерный синтез в природе В природе реакции синтеза начались в первые минуты после Большого взрыва. Во время первичного нуклеосинтеза из протонов образовались лишь некоторые легкие ядра ( дейтерия, гелия, лития). В звездах, масса которых превышает половину M ☉, могут образовываться и другие, более тяжелые элементы. Этот процесс начинается с образования ядер углерода в тройной α-реакции. Образующиеся ядра взаимодействуют с протонами и α-частицами и, таким образом, образуются химические элементы до железного пика. Образование тяжелых ядер (от железа в Висмут) происходит в оболочках достаточно массивных звезд на стадии красного гиганта основном благодаря s-процесса и, частично, благодаря p-процесса. Наважчи (нестабильные) ядра образуются во время вспышек сверхновых. 4.2. Ядерные реакции распадаРеакциями распада обусловлено альфа-и бета-радиоактивность. При альфа-распаде из ядра вылетает альфа-частица 4 He, а массовое число и зарядовое числа ядра меняются на 4 и 2 соответственно. При бета-распаде из ядра вылетает электрон или позитрон, массовое число ядра не меняется, а зарядовое увеличивается или уменьшается на 1. Оба типа распада происходят спонтанно. 4.3. Деление ядраНебольшое количество изотопов способна к делению - реакции при которой ядро делится на две большие части. Деление ядра может происходить как спонтанно, так и вынужденно - под воздействием других частиц, в основном - нейтронов. 1939 года было выявлено, что ядра урана-235 способны не только к спонтанному делению (на два легких ядра) с выделением ~ 200 МэВ энергии и излучением двух-трех нейтронов, но и к вынужденного деления, инициируемое нейтронами. Учитывая, что в результате такого разделения тоже излучаются нейтроны, которые могут вызвать новые реакции вынужденного деления соседних ядер урана, стала очевидной возможность цепной ядерной реакции. Такая реакция не происходит в природе лишь потому, что природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238, а в реакции деления способен только уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%. Механизм ядерной реакции деления заключается в следующем. Ядерные силы через взаимодействие обменными виртуальными частицами (в большинстве случаев происходит пион -нуклонного взаимодействие), имеют нецентральных характер. Это означает, что нуклоны не могут взаимодействовать одновременно со всеми нуклонами в ядре, особенно в багатонуклонних ядрах. При большом количестве нуклонов в ядре это вызывает асимметрию плотности ядерных сил и дальнейшей асимметрию нуклонного связи, а следовательно, и асимметрию энергии по объему ядра. Ядро приобретает форму, которая существенно отличается от шарообразной. В таком случае электростатическое взаимодействие между протонами может по величине энергии приближаться к сильного взаимодействия. Таким образом, вследствие асимметрии, энергетический барьер деления преодолевается, и ядро распадается на более легкие ядра, асимметричные по массе. Иногда ядро может туннелировать в состояние с меньшей энергией. 5. Ядерные реакции в жизни человека5.1. Атомная бомбаЦепную реакцию деления атомных ядер в ХХ веке стали применять в атомных бомбах. Из-за того, что для интенсивной ядерной реакции необходимо иметь критическую массу (массу, необходимую для развития цепной реакции), то для осуществления атомного взрыва несколько частей с массами меньше критической, соединяются, образуется сверхкритическая масса и в ней возникает цепная реакция деления, сопровождающаяся высвобождением большого количества энергии - происходит атомный взрыв . 5.2. Ядерный реакторДля преобразования тепловой энергии распада ядер в электрическую энергию используют ядерный реактор. Как топливо в реакторе применяется смесь изотопов урана-235 и урана-238 или плутоний-239. При попадании быстрых нейтронов к ядру атома урана-238 происходит его превращение в плутоний -239 и его последующий распад с высвобождением энергии. Процесс может быть циклическим, однако для этого необходимы реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Сейчас же как основной компонент в реакторах применяется нуклид урана-235. Для его взаимодействия с быстрыми нейтронами необходимо их замедление. Как замедлитель применяют:
По типу используемой воды в реакторах, D 2 O или H 2 O, реакторы делятся на тяжеловодных и легководяни соответственно. В тяжеловодных реакторах в качестве горючего используется нуклид урана-238, в легководяних - Уран-235. Для управления реакцией распада и ее прекращения применяют регулировочные стержни, содержащие изотопы бора или кадмия. Энергию, которая выделяется во время цепной реакции деления, выводит теплоноситель. Поэтому он нагревается, и при попадании в воду он нагревает ее, превращая в пар (часто теплоносителем является сама вода). Пара обращает паровую турбину, которая вращает ротор генератора переменного тока.
код для вставки Данный текст может содержать ошибки. скачать |