Реакції ядерні у природі. Ядерні реакції, відео

Хочеться спершу згадати свою...
А потім запис. Коли знаючи потенціал атома та маючи наноотвір, ми можемо мати практично вічний двигун, що забезпечує нас енергією.

холодний ядерний синтез у клітинах (Г. Н. Петракович)

Як випливає з опублікованої гіпотези автора про клітинну біоенергетику , в «силових станціях» клітини - мітохондріях - генерується вихрове електромагнітне поле (ЕМП) - найвище частотне і короткохвильове з усіх полів у природі. Ще не створені прилади для вимірювання таких полів. Нещодавно в США із залученням лазерної техніки було створено установку, за допомогою якої вдалося генерувати та виміряти ЕМП із частотою 1012 сек, тоді як у мітохондріях живої клітини, за попередніми розрахунками, генерується ЕМП із частотою не менше 1028 сек.

Генерація ЕМП в мітохондріях відбувається в гемах (чотири пов'язаних між собою атомними зв'язками атомів заліза з валентністю Fe2+ Fe3+, що обертається) за рахунок "перескоку" електрона від двовалентного заліза до тривалентного. У ЕМП, що генерується, утримуються і прискорюються протони - важкі позитивно заряджені елементарні частинки, які утворюються, як і електрони, з атомарного водню при іонізації його в мітохондрії.

Високочастотні ЕМП, що генеруються в кожному гемі цитохромів, є когерентними, тому вони складаються ("зливаються") між собою шляхом синхронізації з неодмінним ефектом резонансу, що значно збільшує напругу новоутвореного поля.

Складання когерентних ЕМП із синхронізацією і неодмінним ефектом резонансу здійснюється у мітохондріях, а й у просторі клітини - цитоплазмі, і далеко поза клітин і навіть живого організму, й у всіх випадках у яких утримуються і прискорюються протони. Енергія полів, спрямованих на "злиття" з мітохондрій в цитоплазму, і є та сила, яка "викидає" з величезною швидкістю протони з мітохондрій в простір клітини, при цьому рух їх виявляється односпрямованим - на відміну від броунівського руху всіх інших іонів у клітці, зі швидкістю, що у тисячі разів перевищує швидкість руху інших іонів у клітині.

Але яким чином протонам у клітині вдається долати кулоновський бар'єр і проникати в ядра атомів?

Виявляється, вся справа в характері ЕМП, що генерується в темі, - у його частоті та довжині хвилі. Гем - чотири зв'язаних між собою атомними зв'язками атома заліза - являє собою одиницю атомної решітки заліза у вигляді тетраедра ("пакет молока"), довжина хвилі ЕМП, що генерується в ньому, дорівнює половині відстані між найближчими атомами в атомній решітці заліза - така хвиля вільно, як по хвилеводу, пройде через будь-яку атомну решітку, у тому числі і металеву, а висока частота збереже енергію від зайвого витрачання. При цьому ЕМП, що має ту саму природу з електромагнітними силами кулонівського опору в ядрах атомів, змінить векторність цих сил, спрямованих однаково на всі боки від ядра, у бік переміщення ЕМП, - в цих умовах протонам, що прискорюються в цьому полі, надається можливість вільно проникнути в ядра атомів-мішеней і вже всередині цих ядер впливати своєю енергією на короткодіючі сили тяжіння міжчастинками, що становлять ядро. Це може бути - розпад, при якому збільшується число протонів і зменшується число нейтронів в ядрі - тим самим змінюється атомне число, тобто виходить новий хімічний елемент з новими якостями. А це є ядерний синтез. Це може бути і? + - розпад, при якому збільшується число нейтронів і може зменшуватися кількість протонів в ядрі - а це вже утворення ізотопів хімічного елемента або навіть ядерний поділ.

Але найбільша кількість енергії виділяється при ?-розпаді, при якому "з полону" ядра з величезною швидкістю викидаються?-частки, що являють собою міцно пов'язані між собою два протони і два нейтрони - ядра атомів гелію. Ці позитивно заряджені частинки, що мають подвійний протонний заряд, потрапляють у ЕМП, що прийшло, відносяться їм геть від ядра, при цьому не тільки не втрачаючи в ньому свою спочатку високу швидкість, але і продовжуючи прискорюватися в ньому.

На відміну від ядерного вибуху при "холодній термояді" в зоні реакції не відбувається накопичення критичної маси, розпад або синтез можуть негайно припинитися, не спостерігається радіації, оскільки? - Частки поза ЕМП негайно перетворюються на атоми гелію, а протони - на молекулярний водень, воду або перекису.

У той же час організм здатний сам собі шляхом "холодної термоотрути" створювати необхідні йому хімічні елементи з інших хімічних елементів, нейтралізувати шкідливі для нього речовини.

У зоні здійснення "холодної термоотрути" формуються і голограми, що відображають взаємодію протонів з ядрами атомів-мішеней, зрештою ці голограми в неспотвореному вигляді виносяться ЕМП в ноосферу і стають основою енергоінформаційного поля ноосфери.

Людина здатна довільно, за допомогою електромагнітних лінз, роль яких в живому організмі виконують молекули-п'єзокристали, фокусувати енергію протонів і особливо? і вугіллям, левітацію та багато іншого, так само вражаюче.

Петракович Г.М. Біополі без таємниць: критичний аналіз теорії клітинної біоенергетики і гіпотеза автора// Російська думка, 1992. -N2.- С.66-71.

Петракович Г.М. Ядерні реакції в живій клітині: нові уявлення про біоенергетику клітини на додаток до опублікованих раніше // Російська думка, 1993.-N3-12.-С.66-73.

Нефьодов Є.І., Протопопов А.А., Семенцов А.М., Яшин А.А. Взаємодія фізичних полів із живою речовиною. -Т ула, 1995. -180с.

Петракович Г.М. Біоенергетичні поля та молекули-п'єзокристали в живому організмі//Вісник нових медичних технологій, 1994. -T.1. -N2. -С.29-31.

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.

Рачек Марія, Есман Віталія, Вікторія Румянцева

Цей дослідницький проект виконаний учнями 9 класу. Він є випереджальним завданням щодо школярами теми " Будова атома і атомного ядра. Використання енергії атомних ядер " у курсі фізиці 9 класу. Метою проекту є з'ясування умов протікання ядерних реакцій та принципів роботи АЕС.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Муніципальна бюджетна загальноосвітня установа

Середня загальноосвітня школа №14

Ім'я Героя Радянського Союзу

Анатолія Перфільєва

р. Олександров

Дослідницька робота з фізики

«Ядерні реакції»

Виконали

учениці

9В класу:

Рачок Марія,

Вікторія Румянцева,

Есман Віталія

вчитель

Романова О.Г.

2015

План проекту

Вступ

Теоретична частина

Атомна енергетика.

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Актуальність:

Однією з найважливіших проблем, які стоять перед людством, є енергетична проблема. Споживання енергії росте настільки швидко, що відомі нині запаси палива виявляться вичерпаними порівняно короткий час. Проблему «енергетичного голоду» не вирішує використання енергії так званих відновлюваних джерел (енергії річок, вітру, сонця, морських хвиль, глибинного тепла Землі), оскільки вони можуть забезпечити в кращому разі лише 5-10% наших потреб. У зв'язку з цим у середині ХХ століття виникла потреба пошуку нових джерел енергії.

В даний час реальний внесок в енергопостачання робить ядерна енергетика, а саме, атомні електростанції (скорочено АЕС). Тому ми вирішили з'ясувати, чи корисні людству АЕС.

Цілі роботи:

З'ясувати умови перебігу ядерних реакцій.
З'ясувати принципи роботи АЕС, а також дізнатися, чи добре чи погано впливає він на навколишнє середовище і на людину.

У рамках досягнення мети нами було поставлено такізавдання:

Дізнатися про будову атома, його склад, що таке радіоактивність.
Дослідити атом урану. Дослідити ядерну реакцію.
Дослідити принцип роботи ядерних двигунів.

Методи дослідження:

Теоретична частина - читання літератури про ядерні реакції.

Теоретична частина.

Історія атома та радіоактивності. Будова атома.

Припущення про те, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок, було висловлено давньогрецькими філософами Левкіппом і Демокрітом приблизно 2500 тисяч років тому. Ці частки отримали назви "атом", що означає "неподільні". Атом - це найдрібніша частка речовини, найпростіша, що не має складових частин.

Але приблизно з середини XIX століття стали з'являтися експериментальні факти, які ставили під сумнів уявлення про неподільність атомів. Результати цих експериментів наводили на думку, що атоми мають складну структуру і що до їх складу входять електрично заряджені частинки.

Найбільш яскравим свідченням складної будови атома стало відкриття явищарадіоактивності, зроблене французьким фізиком Анрі Беккерелем у 1896 році. Він виявив, що хімічний елемент уран мимовільно (тобто без зовнішніх взаємодій) випромінює раніше невідомі невидимі промені, які пізніше були названірадіоактивним випромінюванням. Оскільки радіоактивне випромінювання мало незвичайними властивостями, багато вчених зайнялися його дослідженням. Виявилося, що не тільки уран, а й деякі інші хімічні елементи (наприклад радій) теж мимоволі випускають радіоактивні промені. Здатність атомів деяких хімічних елементів до мимовільного випромінювання почали називати радіоактивністю (від латів. radio – випромінюю та activus – дієвий).

Беккерелю спала на думку: чи не супроводжується будь-яка люмінесценція рентгенівськими променями? Для перевірки своєї здогадки він взяв кілька сполук, у тому числі одну з солей урану, що фосфоресціює жовто-зеленим світлом. Освітивши її сонячним світлом, він загорнув сіль у чорний папір і поклав у темній шафі на фотопластинку, теж загорнутий у чорний папір. Через деякий час, виявивши платівку, Беккерель справді побачив зображення шматка солі. Але люмінесцентне випромінювання не могло пройти через чорний папір, і тільки рентгенівські промені могли в цих умовах засвітити платівку. Беккерель повторив досвід кілька разів та з однаковим успіхом. Наприкінці лютого 1896 року на засіданні Французької академії наук він зробив повідомлення про рентгенівське випромінювання фосфоресцентних речовин. Через деякий час у лабораторії Беккереля була випадково виявлена платівка, на якій лежала уранова сіль, не опромінена сонячним світлом. Вона, природно, не фосфоресціювала, але відбиток на платівці вийшов. Тоді Беккерель почав випробовувати різні сполуки і мінерали урану (у тому числі фосфоресценції, що не виявляють), а також металевий уран. Платівка завжди засвічувалася. Помістивши між сіллю та платівкою металевий хрестик, Беккерель отримав слабкі контури хрестика на платівці. Тоді стало ясно, що відкриті нові промені, що проходять крізь непрозорі предмети, але не є рентгенівськими.

Своїм відкриттям Беккерель ділиться з вченими, з якими співпрацював. У 1898 р. Марія Кюрі та П'єр Кюрі виявили радіоактивність торію, пізніше ними були відкриті радіоактивні елементи полоній та радій. Вони з'ясували, що властивістю природної радіоактивності мають всі сполуки урану і найбільше сам уран. Беккерель повернувся до люмінофорів, що його цікавили. Щоправда, він зробив ще одне велике відкриття, що стосується радіоактивності. Одного разу для публічної лекції Беккерелю знадобилася радіоактивна речовина, він узяв його у подружжя Кюрі і поклав пробірку в жилетну кишеню. Прочитавши лекцію, він повернув радіоактивний препарат власникам, а наступного дня виявив на тілі під жилетною кишенею почервоніння шкіри у формі пробірки. Беккерель розповів про це П'єру Кюрі, і той поставив на собі досвід: протягом десяти годин носив прив'язану до передпліччя пробірку з радієм. Через кілька днів у нього теж з'явилося почервоніння, яке перейшло потім у тяжку виразку, від якої він страждав протягом двох місяців. Так вперше було відкрито біологічну дію радіоактивності.

У 1899 року у результаті досвіду, проведеного під керівництвом англійського фізика Ернеста Резерфорда, виявили, що радіоактивне випромінювання радію неоднорідно, тобто. має складний склад. У середині розташований потік (випромінювання), що не має електричного заряду, а з боків вишиковувалися 2 потоки заряджених частинок. Позитивно заряджені частинки назвали альфа-частинками, що є повністю іонізованими атомами гелію, а негативно заряджені – бета-частинки, що являють собою елетрони. Нейтральні отримали назву гамма-частинки або гамма-кванти. Гамма-випромінювання, як з'ясувалося пізніше, є одним з діапазонів електромагнітного випромінювання.

Оскільки відомо, що атом загалом нейтральний, явище радіоактивності дозволило вченим створити приблизну модель атома. Першим, хто це зробив, був англійський фізик Джозеф Джон Томсон, який створив одну з перших моделей атома у 1903 році. Модель була куля, по всьому обсягу якої був рівномірно розподілений позитивний заряд. Усередині кулі знаходилися електрони, кожен з яких міг здійснювати коливальні рухи біля свого положення рівноваги. Модель нагадувала за формою та будовою кекс із родзинками. Позитивний заряд дорівнює модулю сумарному негативному заряду електронів, тому заряд атома загалом дорівнює нулю.

Модель будови атома Томсона потребувала експериментальної перевірки, якою зайнявся 1911 року Резерфорд. Він провів досліди і дійшов висновку, що модель атома є кулею, в центрі якої розташовано позитивно заряджене ядро, що займає малий обсяг від усього атома. Навколо ядра рухаються електрони, маса яких значно менша. Атом електрично нейтральний, оскільки заряд ядра дорівнює сумарному модулю заряду електронів. Резерфорд також встановив, що атом атома має діаметр приблизно 10-14 – 10 -15 м, тобто. воно в сотні тисяч разів менше від атома. Саме ядро зазнає змін при радіоактивних перетвореннях, тобто. радіоактивність – це здатність деяких атомних ядер мимоволі перетворюватися на інші ядра з випромінюванням частинок. Щоб зареєструвати (побачити) частинки, 1908 року німецький фізик Ганс Гейгер винайшов так званий лічильник Гейгера.

Пізніше позитивно заряджені частинки атомі отримали назву протонів, а негативні – нейтронів. Протони та нейтрони отримали загальну назву нуклони.

Розподіл урану. Ланцюгова реакція.

Розподіл ядер урану під час його бомбардування нейтронами було відкрито 1939 року німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом.

Розглянемо механізм цього явища. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро приходить у дію і деформується, набуваючи витягнутої форми.

У ядрі діє 2 види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, і ядерні сили тяжіння між усіма нуклонами, завдяки яким ядро не розпадається. Але ядерні сили короткодіючі, тому у витягнутому ядрі вони не можуть утримати сильно віддалені друг від друга частини ядра. Під дією електростатичних сил ядро розривається на дві частини, які розлітаються в різні боки з величезною швидкістю та випромінюють 2-3 нейтрони. Частина внутрішньої енергії перетворюється на кінетичну. Осколки ядра швидко гальмують у навколишньому середовищі, внаслідок чого їхня кінетична енергія переходить у внутрішню енергію середовища. При одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища та відповідно її температура зростають. Таким чином, реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище. Енергія колосальна. При повному розподілі всіх ядер, що є в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділиться при згорянні 2,5 т нафти. Для перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну використовують ланцюгові реакції поділу ядер, засновані на тому, що 2-3 нейтрони, що виділилися при розподілі першого ядра, можуть взяти участь у розподілі інших ядер, які їх захоплять. Для підтримки безперервності ланцюгової реакції важливо враховувати масу урану. Якщо маса урану дуже мала, то нейтрони вилітають за його межі, не зустрічаючи на своєму шляху ядро. Ланцюгова реакція припиняється. Чим більша маса шматка урану, тим більші його розміри і тим довший шлях, який проходять у ньому нейтрони. Імовірність зустрічі нейтронів із ядрами атомів зростає. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються. Число з'явилися після розподілу ядер нейтронів дорівнює кількості втрачених нейтронів, тому реакція може тривати тривалий час. Щоб реакція не припинялася, слід брати масу урану певного значення – критичну. Якщо маса урану більша критичної, то в результаті різкого збільшення вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху.

Ядерний реактор. ядерна реакція. Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну енергію.

Ядерний реактор - це пристрій, у якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор, названий СР-1, побудований у грудні 1942 року у США під керівництвом Е. Фермі. Наразі, за даними МАГАТЕ, у світі налічується 441 реактор у 30 країнах. Також ведеться будівництво ще 44 реакторів.

В ядерному реакторі як речовина, що ділиться використовується в основному уран-235. Такий реактор називається реактором на повільних нейтронах.Уповільнювач нейтронів можуть виступати різні речовини:

Вода . Переваги звичайної води як сповільнювача – її доступність та дешевизна. Недоліками води є низька температура кипіння (100 °C при тиску 1 атм) та поглинання теплових нейтронів. Перший недолік усувається підвищенням тиску першому контурі. Поглинання теплових нейтронів водою компенсують застосуванням ядерного палива на основі збагаченого урану.
Тяжка вода . Важка вода за своїми хімічними та теплофізичними властивостями мало відрізняється від звичайної води. Вона практично не поглинає нейтронів, що дає можливість використовувати як ядерне паливо природний уран у реакторах з важководним сповільнювачем. Недоліком важкої води є висока вартість.
Графіт . Реакторний графіт отримують штучно із суміші нафтового коксу та кам'яновугільної смоли. Спочатку із суміші пресують блоки, а потім ці блоки термічно обробляють при високій температурі. Графіт має густину 1,6-1,8 г/см3. Він сублімує за температури 3800-3900 °C. Нагрітий у повітрі до 400 ° C графіт спалахує. Тому в енергетичних реакторах він міститься у атмосфері інертного газу (гелій, азот).
Берилій . Один із найкращих сповільнювачів. Він має високу температуру плавлення (1282 °C) та теплопровідність, сумісний з вуглекислим газом, водою, повітрям та деякими рідкими металами. Однак у пороговій реакції виникає гелій, тому при інтенсивному опроміненні швидкими нейтронами всередині берилію накопичується газ, під тиском якого берилій розпухає. Застосування берилію обмежене також його високою вартістю. Крім того, берилій та його сполуки дуже токсичні. З берилію виготовляють відбивачі та витіснячі води в активній зоні дослідницьких реакторів.

Частини реактора на повільних нейтронах: в активній зоні розташоване ядерне паливо у вигляді уранових стрижнів та уповільнювач нейтронів (наприклад, вода), відбивач (шар речовини, що оточує активну зону) та захисна оболонка з бетону. Для управління реакцією служать стрижні, що регулюють, ефективно поглинають нейтрони. Для запуску реактора їх поступово виводять із активної зони. Утворені в процесі цієї реакції нейтрони та уламки ядер, розлітаючись з великою швидкістю, потрапляють у воду, стикаються з ядрами атомів водню та кисню, віддають їм частину своєї кінетичної енергії. Вода при цьому нагрівається, а уповільнені нейтрони через якийсь час знову потрапляють в уранові стрижні та беруть участь у розподілі ядер. Активна зона труб з'єднується з теплообмінником, утворюючи перший замкнутий контур. Насоси забезпечують циркуляцію води. Нагріта вода проходить через теплообмінник, нагріває воду в змійовику другого контуру і перетворює її на пару. Таким чином, вода в активній зоні служить не тільки сповільнювачем нейтронів, а й теплоносієм, що відводить тепло. Після енергія пари в змійовику перетворюється на електричну енергію. За допомогою пари обертається турбіна, яка надає руху ротору генератора електричного струму. Відпрацьована пара надходить у конденсатор і перетворюється на воду. Потім цикл повторюється.

Ядерний двигунвикористовує енергію поділу чи синтезу ядер до створення реактивної тяги. Традиційний ЯД в цілому є конструкцією з ядерного реактора і власне двигуна. Робоче тіло (частіше аміак або водень) подається з бака в активну зону реактора, де, проходячи через нагріті реакцією ядерного розпаду канали, розігрівається до високих температур і потім викидається через сопло, створюючи реактивну тягу.

Атомна енергетика.

Атомна енергетика- сфера техніки, заснована на використанні реакції поділу атомних ядер для вироблення теплоти та виробництва електроенергії. Ядерний сектор енергетики найзначніший мови у Франції, Бельгії, Фінляндії, Швеції, Болгарії та Швейцарії, тобто. у тих промислово розвинених країнах, де недостатньо природних енергоресурсів. Ці країни виробляють від чверті до половини своєї електроенергії на АЕС.

Перший європейський реактор було створено 1946 року у Радянському Союзі під керівництвом Ігоря Васильовича Курчатова. У 1954 році в Обнінську було введено в дію першу АЕС. Переваги АЕС:

Головна перевага - практична незалежність від джерел палива через невеликий обсяг палива, що використовується. У Росії це особливо важливо в європейській частині, оскільки доставка вугілля із Сибіру надто дорога. Експлуатація АЕС коштує значно дешевше, ніж ТЕС. Щоправда, будівництво ТЕС дешевше, ніж будівництво АЕС.
Величезною перевагою АЕС є її відносна екологічна чистота. На ТЕС сумарні річні викиди шкідливих речовин становлять приблизно 13 000 т на рік на газових та 165 000 т на пилокутних ТЕС. Подібних викидів на АЕС немає. ТЕС споживає 8 мільйонів т кисню на рік для окислення палива, АЕС не споживають кисню взагалі. Крім того, більшу питому викид радіоактивних речовин дає вугільна станція. У вугіллі завжди містяться природні радіоактивні речовини, при спалюванні вугілля вони практично повністю потрапляють у зовнішнє середовище. Більшість радіонуклідів із ТЕС довгоживуть. Більшість радіонуклідів з АЕС досить швидко розпадається, перетворюючись на нерадіоактивні.
Для більшості країн, у тому числі й Росії, виробництво електроенергії на АЕС не дорожче, ніж на пиловугільних та тим паче газомазутних ТЕС. Особливо помітна перевага АЕС у вартості електроенергії, що виробляється, під час так званих енергетичних криз, що почалися з початку 70-х років. Падіння нафтових цін автоматично знижує конкурентоспроможність АЕС.

Застосування ядерних двигунів у сучасності.

З розвитком ядерної фізики дедалі виразніше вимальовувалася перспектива створення атомних енергетичних установок. Перший практичний крок у цьому напрямі зробив Радянський Союз, де у 1954г. було побудовано атомну електростанцію.

У 1959р. під прапором СРСР вступило в дію перше у світі атомне судно – криголам «Ленін», який успішно проводив каравани торгових суден у важких умовах Заполяр'я.

В останні роки XIX століття заступили на арктичну вахту потужні радянські атомні криголами «Арктика» та «Сибір».

Особливо великі можливості атомна енергетика відкрила для підводних човнів, дозволивши вирішити дві найактуальніші проблеми - збільшення підводної швидкості та збільшення тривалості плавання під водою без випливання. Адже найдосконаліші дизель-електричні підводні човни не можуть розвинути під водою понад 18-20 уз, та й цю швидкість підтримують лише близько години, після чого змушені випливати для заряджання акумуляторних батарей.

У разі за вказівкою ЦК КПРС і Радянського уряду нашій країні у найкоротший термін було створено атомний підводний флот. Радянські підводні атомоходи неодноразово перетинали Північний Льодовитий океан під льодами, виринали в районі Північного полюса. Напередодні XXIII з'їзду КПРС група атомних підводних човнів здійснила кругосвітнє плавання, пройшовши близько 22 тис. миль під водою без спливу.

Основною відмінністю атомного підводного човна від паросилового є заміна парового котла реактором, в якому здійснюється регульована ланцюгова реакція поділу атомів ядерного палива з виділенням тепла, що використовується для отримання пари в парогенераторі.

Атомна установка створила для підводних човнів реальну перспективу не лише зрівнятися у швидкості з надводними кораблями, а й перевершити їх. Як ми знаємо, у зануреному стані підводний човен не відчуває хвильового опору, на подолання якого швидкохідні надводні водоймні кораблі витрачають більшу частину потужності енергетичної установки.

Біологічна дія радіації.

Радіація за своєю природою шкідлива для життя. Малі дози опромінення можуть "запустити" не до кінця ще вивчений ланцюг подій, що призводять до раку або генетичних ушкоджень. При великих дозах радіація може руйнувати клітини, пошкоджувати тканини органів та стати причиною швидкої загибелі організму. Ушкодження, викликані великими дозами опромінення, зазвичай виявляються протягом кількох годин чи днів. Ракові захворювання, проте, виявляються через багато років після опромінення, - як правило, не раніше, ніж через одне-два десятиліття. А вроджені вади розвитку та інші спадкові хвороби, що викликаються ушкодженням генетичного апарату, за визначенням виявляються лише в наступному або наступних поколіннях: це діти, онуки та більш віддалені нащадки індивідуума, що зазнав опромінення.

Залежно від виду випромінювань, дози опромінення та його умов можливі різні види променевого ураження. Це гостра променева хвороба (ОЛБ) – від зовнішнього опромінення, ОЛБ – від внутрішнього опромінення, хронічна променева хвороба, різні клінічні форми з переважно локальним ураженням окремих органів, які можуть характеризуватись гострим, підгострим або хронічним перебігом; це віддалені наслідки, серед яких найістотніше виникнення злоякісних пухлин; дегенеративні та дистрофічні процеси (катаракта, стерильність, склеротичні зміни). Сюди відносять генетичні наслідки, які спостерігаються у нащадків опромінених батьків. Іонізуючі випромінювання, що викликають їх розвиток, завдяки високій проникаючій здатності впливають на тканини, клітини, внутрішньоклітинні структури, молекули і атоми в будь-якій точці організму.

Живі істоти на вплив випромінювань реагують по-різному, причому розвиток променевих реакцій багато в чому залежить від дози випромінювань. Тому доцільно розрізняти: 1) вплив малих доз приблизно до 10 рад; 2) вплив середніх доз, які зазвичай застосовуються з терапевтичними цілями, які межують своєю верхньою межею з впливом високих доз. При дії випромінюванні розрізняють реакції, що виникають негайно, ранні реакції, і навіть пізні (віддалені) прояви. Кінцевий результат опромінення часто залежить від потужності дози, різних умов опромінення і особливо від природи випромінювань. Це стосується також сфери застосування випромінювань у клінічній практиці з лікувальними цілями.

Радіація по-різному діє на людей залежно від статі та віку, стану організму, його імунної системи тощо, але особливо сильно – на немовлят, дітей та підлітків.

Рак – найсерйозніше з усіх наслідків опромінення людини при малих дозах. Великі обстеження, що охопили 100000 людей, які пережили атомні бомбардування Хіросіми і Нагасакі, показали, що поки що рак є єдиною причиною підвищеної смертності в цій групі населення.

Висновок.

Провівши дослідження, ми з'ясували, що ядерне паливо та ядерні двигуни приносять величезну користь людині. Завдяки ним людина знайшла дешеві джерела тепла та енергії (одна АЕС замінює людині кілька десятків, а то й сотень звичайних ТЕС), змогла потрапити через льоди на Північний Полюс і опуститися на дно океану. Але це працює лише тоді, коли правильно застосовується, тобто. у потрібній кількості і тільки в мирних цілях. Чимало було зареєстровано випадків вибухів АЕС (Чорнобиль, Фукусіма) та вибухів атомних бомб (Хіросіма та Нагасакі).

Але від наслідків радіоактивних відходів ніхто не захищений. Багато людей страждають від променевих хвороб та раку, спричинених радіоактивним випромінюванням. Але ми вважаємо, що за кілька років вчені придумають методи утилізації радіоактивних відходів без шкоди здоров'я та винайдуть ліки від цих хвороб.

Список використаної літератури.

А. В. Перишкін, Є. М. Гутник. "Підручник з фізики для 9 класу".
Г. Кеслер. "Ядерна енергетика".
Р. Г. Перельман. "Ядерні двигуни".
Еге. Резерфорд. «Вибрані наукові праці. Будова атома та штучне перетворення».
https://ua.wikipedia.org

Попередній перегляд:

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього:

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 .

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).