Ядерная реакция

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. История

Первую искусственно вызванной ядерной реакции наблюдал в 1919 году Эрнест Резерфорд, облучая альфа-частицами азот. Реакция проходила по схеме

.

2. Законы сохранения при ядерных реакциях

Во 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 реакции

Если 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 реакций

4.1. Ядерные реакции синтеза

Во 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).
Сейчас ядерные реакции происходят в ядрах звезд, например, в Солнце. Основным процессом является образование ядра гелия из четырех протонов, что может происходить или в протон-протонном цепочке, или в цикле Бете-Вайцзекера.

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 распада

Реакциями 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 ядра

Небольшое 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 человека

5.1. Атомная бомба

Цепную 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 реактор

Для 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:

• графит - хорошо замедление, слабое поглощение, пригодный для Урана-238 в качестве топлива
• воду:
  • "Легкая вода" H ₂ O - очень хорошо замедление, значительное поглощения нейтронов, что отрицательно сказывается на количестве высвобожденной энергии
  • тяжелая вода D ₂ O - очень хорошо замедление, слабое поглощение нейтронов.

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.

Это незавершенная статья физики. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.