Ядерні реакції. Історія відкриття поділу ядер урану
1. Реакції можливі за наявності високих температур та високих електромагнітних полів
2. Проходження процесів рахунок нейтронів, які потребують великих магнітних полів і високих температур
Нуклеосинтез.Явище нуклеосинтезу досліджував вчений Бербідж.
У момент утворення Всесвіту існувала суміш електронних частинок.
За рахунок взаємодії протонів та нейтронів утворилися воденьі гелій, причому у наступних пропорціях: 2/3 – Н, 1/3 – Ні.
Решта елементів утворилися з водню.
Сонце складається з гелію та водню (10-20 млн. ºС).
Існують гарячіші зірки (понад 150 млн. ºС). У глибинах цих планет утворилися вуглець, кисень, азот, сірка та магній.
Інші елементи виникли під час вибуху наднових зірок (уран і важчі).
У всьому Всесвіті найбільш поширені гелій і водень (3/4 водню та 1/4 гелію).
○ Найпоширеніші елементи на Землі:
§7 «Корпускулярно-хвильова (двійна) теорія»
У 1900 р. М. Планквисунув теорію: абсолютно чорне тілотеж випромінює енергію, але випромінює її порціями (квантами).
● Квант електронно-магнітного поля – це фотон.
○ Хвильоваприрода фотона:
- дифракція(відхилення світла від прямолінійного напрямку, або здатність огинати перешкоди)
- інтерференція(Взаємодія хвиль, при якому хвилі можуть накладатися один на одного і або посилювати, або гасити один одного)
1.Посилюються
2.Зменшується інтенсивність
3.Погашуються
○ Корпускулярнаприрода фотона:
● Фотоефект– явище випромінювання електронів речовиною під впливом електромагнітного випромінювання.
Столетіввивчив закони фотоелемента
Пояснення фотоефекту було дано Ейнштейному рамках корпускулярної теорії.
Фотон, ударяючись об електрон, передає частину своєї енергії.
● Ефект Комптону– якщо направити на речовину рентгенівське випромінювання, воно розсіюється на електрони речовини. Це розсіяне випромінювання матиме більшу довгу хвилю, ніж падаюче. Різниця залежить від кута розсіювання.
E = hυ
h – планка
υ – частота випромінювання
●Фотон – хвильовий пакет.
Математично дуалізм «хвиля – частка» виявляється у рівнянні Л. де Бройля:
λ = h / (m · v) = h / P
P- Імпульс
Цей дуалізм – універсальна теорія, її можна розподіляти попри всі види матерії.
○ Приклади:
Електрон
m e = 9,1 · 10 -28 гv ~ 10 8 см/сλ ~ 10 -8 см
М'ячик, що летить
m= 50 гv~ 25 см/сλ ~ 10 -32 см
1) Принцип невизначеності[Ст. Гейзенберг] - неможливо одночасно точно визначити координату частки та її імпульс.
∆q · ∆ p ≥ h / 2
∆q – невизначеність будь-якої координати
∆p – невизначеність імпульсу
∆E · ∆ t ≥ h / 2
∆E – енергія частки
∆t – невизначеність часу
2) Принцип додатковості[Н. Бор] – отримання експериментальної інформації про одних величинах, що описують мікрооб'єкт, неминуче пов'язане зі втратою інформації про інші величини, додаткові до першого.
3) Принцип причинності(Наслідок принципу невизначеності) - принцип класичної фізики. Є причинно-наслідковий зв'язок між явищами природи. Для об'єктів мікросвіту принцип причинності не застосовується.
4) Принцип тотожності- Неможливо експериментально вивчити однакові мікрочастинки.
5) Принцип відповідності– будь-яка загальніша теорія, будучи розвитком класичної теорії, не відкидає її повністю, а показує межі її застосування.
6) Принцип суперпозиції– результуючий ефект – це сума ефектів, що викликаються кожним явищем окремо.
● Рівняння Шредінгера- Основне рівняння квантової механіки.
● Хвильова функція[Ψ] – це функція одночасно координат та часу.
Е = Е кін. + U
U – потенційна енергія
E кін . = (m · v 2 ) / 2 = p 2 / 2m
E = p 2 / 2m + U
E Ψ = ( p 2 / 2 m + U ) · Ψ
(Ψ 2 · d · v) показує, де і в якому стані знаходиться відповідна частка.
ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ
Ядерні реакції-перетворенняатомних ядер при взаємодії з ін. ядрами,елементарними частинкамичи квантами. Таке визначення розмежовує власне ядерніреакції та процеси мимовільного перетворення ядер при радіоактивному розпаді (див.Радіоактивність), хоча в обох випадках йдеться про утворення нових ядер.
Ядерніреакції здійснюють під дією налітаючих, або бомбардуючих частинок (нейтрони п, протони р, дейтрони d, електрони е, ядра атомів різних. елементів) чи квантів, якими опромінюють більш важкі ядра, які у мішені. За енергіями бомбардуючих частинок умовно розрізняють ядерніреакції при низьких (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 МеВ) енергії. Розмежовують р-ції на легких ядрах (масове число ядра мішені А< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Ядернареакція може статися, якщо дві беруть участь у ній частинки зближуються на відстань, меншу за діаметр ядра (близько 10 -13 см), тобто на відстань, при якому діють сили внутрішньоядерного взаємодіють. між складовими ядра нуклонами. Якщо обидві беруть участь у ядернійреакції частинки - і бомбардуюча, і ядро мішені - заряджені позитивно, то зближенню частинок перешкоджає сила відштовхування двох покладених. зарядів, і бомбардуюча частка повинна подолати т.зв. кулонівський потенційний бар'єр. Висота цього бар'єру залежить від заряду частки, що бомбардує, і заряду ядра мішені. Для ядер, що відповідаютьатомам із пор. значеннямиатомного номера , і бомбардуючих частинок із зарядом +1, висота бар'єру становить близько 10 МеВ. У разі, якщо в ядернійреакції беруть участь частки, що не володіють зарядом (нейтрони ), кулонивський потенційний бар'єр відсутній, та ядерніреакції можуть протікати за участю частинок, що мають теплову енергію (тобто енергію, що відповідає тепловим коливанням)атомів ).
Обговорюється можливість протікання ядернихреакцій не в результаті бомбардування ядер мішені налітаючими частинками, а за рахунок надсильного зближення ядер (тобто зближення на відстані, порівняні з діаметром ядра), що знаходяться в твердійматриці або на поверхнітвердого тіла (напр., за участю ядератомів газу дейтерію , розчиненого впаладії ); поки що (1995) надійних даних про здійснення таких ядернихреакцій ("холодного термоядерного синтезу") немає.
Ядерніреакції підкоряються тим самим загальним законам природи, як і звичайні хім. реакції (закон збереження масита енергії, збереження заряду, імпульсу). Крім того, при протіканні ядернихреакцій діють і деякі специфічні закони, які не виявляються в хім. реакціях, наприклад, закон збереження баріонного заряду (баріони - важкіелементарні частки).
Записувати ядерніреакції можна так, як це показано на прикладі перетворення ядер Рu в ядра Кu при опроміненні плутонієвої мішені ядраминеона:
З цього запису видно, що суми зарядів ліворуч і праворуч (94 + 10 = 104) та сумимасових чисел (242+22=259+5) рівні між собою. символ хім. елемента однозначно вказує на його атомний номер (заряд ядра), то при записі ядернихреакцій значення заряду часток зазвичай не вказують. Найчастіше ядерніреакції записують коротше. Так, ядернуреакцію утворення радіонукліду 14 С при опроміненні ядер 14 Nнейтронами записують так: 14 N(n, р) 14 С.
У дужках вказують спочатку бомбардуючу частинку або квант, потім, через кому, легкі частинки, що утворюються, або квант. Відповідно до такого способу записи розрізняють (n, р), (d, р), (п, 2п) та ін.реакції .
При зіткненні одних і тих же ядерних частинокреакції можуть йти у різний спосіб. Наприклад, при опроміненні алюмінієвої мішенінейтронами можуть протікати слід. ядерніреакції : 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na та ін Сукупність часток, що стикаються, називають вхідним каналом ядерної.реакції , а частинки, що народжуються в результаті ядерноїреакції , утворюють вихідний канал
Ядерніреакції можуть протікати з виділенням та поглинанням енергії Q. Якщо у загальному вигляді записати ядернуреакцію як А(a, b)В, то для такої ядерноїреакції енергія дорівнює: Q = [(М А + М а) - (М в + М b)] x з 2 де М -маси що беруть участь в ядернійреакції частинок; с – швидкість світла. На практиці зручніше користуватися значеннямидефектів мас дельта М (див. Ядро атомне ), тоді вираз для обчислення Q має вигляд: причому з міркування зручності зазвичай виражають у кілоелектронвольтах (кеВ, 1 а. е. м. = 931 501,59 кеВ = 1,492443 х 10 -7 кДж).
Зміна енергії, якою супроводжується ядернареакція може в 10 6 разів і більше перевищувати енергію, що виділяється або поглинається при хімічному. реакціях. Тому при ядернійреакції стає помітною зміна мас взаємодіючих ядер: енергія, що виділяється або поглинається, дорівнює різниці сум мас частинок до і після ядерноїреакції . Можливість виділення величезних кількостей енергії при здійсненні ядернихреакцій лежить в основі ядерноїенергетики . Дослідження співвідношень між енергіями частинок, що беруть участь у ядернихреакціях , а також співвідношень між кутами, під якими відбувається розліт частинок, що утворюються, становить розділ ядерної фізики - кінематику ядерних реакцій.
Механізми ядерних реакцій .
Характер взаємодії частки, що налітає, з ядром мішені залежить від індивідуальних властивостей взаємодіючих частинок і енергії частки, що налітає. Частина, що налітає, може увійти в ядро мішені і вилетіти з нього, лише змінивши свою траєкторію. Це явище зв. пружною взаємодією (або пружним розсіюванням). У наведеному вище прикладі за участю ядер 27 А1 йому відповідає ядернареакція 27 А1(п, п) 27 А1. Нуклон частки, що бомбардує, потрапивши в ядро, може зіткнутися з нуклоном ядра. Якщо при цьому енергія одного або обох нуклонів виявиться більше, ніж енергія, потрібна для вильоту з ядра, вони обидва (або хоча б один з них) покинуть ядро. Це так званий прямий процес. Час, протягом якого він протікає, відповідає часу, протягом якого бомбардуюча частка проходить простір, займане ядром мішені. За оцінкою, воно дорівнює близько 10 -22 с. Прямий процес можливий при високих енергіях частки, що бомбардує.
При середніх та невисоких енергіях бомбардуючої частки її надмірна енергія перерозподіляється між багатьма нуклонами ядра. Відбувається це за час 10-15-10-16 с. Цей час відповідає часу життя так званого складового ядра ядерної системи, що утворюється в ході ядерної системи.реакції в результаті злиття частки, що налітає, з ядром-мішенню. За цей період надлишкова енергія, отримана складовим ядром від частки, що налетіла, перерозподіляється. Вона може сконцентруватися на одному або кількох нуклонах, що входять до складу ядра. В результаті складене ядро випускає, напр., Дейтрон d, тритон t або частинку.
Якщо ж енергія, привнесена в складове ядро налітаючою частинкою, виявилася меншою за висоту потенційного бар'єру, який повинна подолати легка частка, що вилітає зі складеного ядра, то в цьому випадку складове ядро випускає квант (радіаційне захоплення). В результаті розпаду складеного ядра утворюється відносно важке нове ядро, яке може виявитися як в основному, так ізбудженому стані. В останньому випадку відбуватиметься поступовий перехід збудженого ядра до основного стану.
Ефективний перетин ядерних реакцій .
На відміну від більшості хімічних реакцій, при яких вихідні речовини, взяті в кількостях стехіометричних, реагують між собою націло, ядернуреакцію викликає лише невелика частка всіх бомбардуючих частинок, що впали на мішень. Це тим, що ядро займає мізерно малу частину обсягуатома , Отже можливість зустрічі налітаючої частки, що проходить через мета, з ядроматома дуже мала. Кулонівський потенційний бар'єр між налітаючою часткою і ядром (при їхньому однаковому заряді) також перешкоджає ядернійреакції . Для кількостей. характеристики ймовірності протікання ядерноїреакції використовують поняття ефективного перерізу а. Воно характеризує ймовірність переходу двох зіштовхуються частинок у певний кінцевий стан і дорівнює відношенню числа таких переходів в одиницю часу до бомбардуючих частинок, що проходять в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярну до напрямку їх руху. Ефективний переріз має розмірність площі і по порядку величини можна порівняти з площею поперечного перерізуатомних ядер (близько 10 -28 м 2). Раніше використовувалася позасистемна одиниця ефективного перерізу – барн (1 барн = 10 –28 м 2 ).
Реальні значення для різних ядернихреакцій змінюються у межах (від 10 -49 до 10 -22 м 2 ). Значення залежить від природи бомбардуючої частинки, її енергії, і, особливо великою мірою, від властивостей ядра, що опромінюється. У разі опромінення ядернейтронами при варіюванні енергіїнейтронів можна спостерігати т. зв. резонансне захопленнянейтронів , який характеризується резонансним перетином Резонансне захоплення спостерігається, коли кінетична енергіянейтрону близька до енергії одного із стаціонарних станів складеного ядра. Перетин, що відповідає резонансному захопленню бомбардуючої частки, може на кілька порядків перевищувати нерезонансний переріз.
Якщо бомбардувальна частка здатна викликати протікання ядерноїреакції по кількох каналах, то суму ефективних перерізів різних процесів, що відбуваються з даним ядром, що опромінюється, часто називають повним перерізом.
Ефективні перерізи ядернихреакцій для ядер різнихізотопів к.-л. елементи часто дуже різняться між собою. Тому при використанні сумішіізотопів для здійснення ядерноїреакції потрібно враховувати ефективні перерізи для кожногонукліда з урахуванням його поширеності у сумішіізотопів.
Виходи ядерних
реакцій
Виходи ядерних реакцій -відношення числаактів ядерних реакцій до частинок, що впали на одиницю площі (1 см 2) мішені, зазвичай не перевищують 10 -6 -10 -3 . Для тонких мішеней (спрощено тонкою можна назвати мішень, при проходженні через яку потік частинок, що бомбардують помітно не слабшає) вихід ядерноїреакції пропорційний числу частинок, що потрапляють на 1 см 2 поверхні мішені, кількості ядер, що містяться в 1 см 2 мішені, а також значенню ефективного перерізу ядерноїреакції . Навіть при використанні такого потужного джерела частинок, що налітають, яким є ядерний реактор, протягом 1 год вдається, як правило, отримати при здійсненні ядернихреакцій під дією нейтронів не більше кількох мгатомів , що містять нові ядра. Зазвичай маса речовини, отриманої в тій чи іншій ядернійреакції , значно менше.
Бомбардуючі частинки.
Для здійснення ядернихреакцій використовують нейтрони n, протони р, дейтрони d, тритони t, частки, важкііони (12 С, 22 Ne, 40 Ar та ін),електрони е та кванти. Джереламинейтронів (див. Нейтронні джерела)при проведенні ядернихреакцій служать: суміші металеві Be та відповідного випромінювача, напр. 226 Ra (т. зв. ампульні джерела), нейтронні генератори, ядерні реактори. Т. до. в більшості випадків ядернихреакцій вище для нейтронів з малими енергіями (тепловінейтрони ), то перед тим, як направити потікнейтронів на ціль, їх зазвичай уповільнюють, використовуючипарафін, графіт та ін матеріали. У разі повільнихнейтронів основний. процес майже для всіх ядер - радіаційне захоплення - ядернареакція типу кулонівський бар'єр ядра перешкоджає вильотупротонів та частинок. Під дієюнейтронів ланцюгові реакції поділу .
У разі використання як бомбардуючих частинокпротонів , Дейтрони та ін, протікають несучих позитивний заряд, бомбардуючу частинку прискорюють до високих енергій (від десятків МеВ до сотень ГеВ), використовуючи різні прискорювачі. Це необхідно для того, щоб заряджена частка могла подолати кулоновський потенційний бар'єр і потрапити в ядро, що опромінюється. При опроміненні мішеней позитивно зарядженими частинками наиб. виходи ядернихреакцій досягаються при використанні дейтронів. Пов'язано це з тим, що енергія зв'язкупротона та нейтрону в дейтроні відносно мала, і соотв., велика відстань міжпротоном та нейтроном .
При використанні як бомбардуючих частинок дейтронів в ядро, що опромінюється, часто проникає тільки один нуклон -протон або нейтрон , другий нуклон ядра дейтрона летить далі, зазвичай у тому напрямі, як і налітаючий дейтрон. Високі ефективні перерізи можуть досягатися при проведенні ядернихреакцій між дейтронами і легкими ядрами при порівняно низьких енергіях частинок, що налітають (1-10 МеВ). Тому ядерніреакції за участю дейтронів можна здійснити не тільки при використанні прискорених на прискорювачі дейтронів, але й шляхом нагрівання суміші взаємодіючих ядер до т-ри близько 10 7 К. Такі ядерніреакції називають термоядерними. У природних умовах вони протікають лише у надрах зірок. На Землі термоядерні реакції за участюдейтерію, дейтерію та тритію, дейтерію та літію та ін. здійснені привибухах термоядерних (водневих) бомб.
Для частинок кулоновський бар'єр у важких ядер досягає ~25 МеВ. Рівноймовірні ядерніреакції та Продукти ядерноїреакції зазвичай радіоактивні, для ядерноїреакції - Зазвичай стабільні ядра.
Для синтезу нових надважких хім. елементів важливе значення мають ядерніреакції , що протікають за участю прискорених на важких прискорювачахіонів (22 Ne, 40 Ar та ін.). Напр., по ядернійреакції м. б. здійснено синтезфермія. Для ядерних реакцій із важкими іонами характерна велика кількість вихідних каналів. Наприклад, при бомбардуванні ядер 232 Thіонами 40 Ar утворюються ядра Са, Ar, S, Si, Mg, Ne.
Для здійснення ядернихреакцій під впливом квантів придатні кванти високих енергій (десятки МеВ). Кванти з меншими енергіями відчувають на ядрах лише пружне розсіювання. Ядерні, що протікають під дією налітаючих квантівреакції називають фотоядерними, цих реакцій досягають 1030 м 2 .
Хочаелектрони мають заряд, протилежний заряду ядер, проникненняелектронів в ядро можливе лише в тих випадках, коли для опромінення ядер використовуютьелектрони , енергія яких перевищує десятки МеВ Для отримання такихелектронів застосовують бетатрони та ін.
Дослідження ядернихреакцій дають різноманітну інформацію про внутрішню будову ядер. Ядерніреакції за участю нейтронів дозволяють отримувати величезну кількість енергії в ядерних реакторах. В результаті ядернихреакцій поділу під дією нейтронів утворюється велика кількість різнихрадіонуклідів , які можна використовувати, зокрема вхімії, як ізотопні індикатори. У ряді випадків ядерніреакції дозволяють отримуватимічені з'єднання. Ядерні реакції лежать в основі активаційного аналізу. За допомогою ядернихреакцій здійснено синтез штучних хім. елементів (технеція , прометія , трансуранових елементів, трансактіноїдів).
Історія відкриття поділу ядер урану
Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що при бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Правильне тлумачення цього факту дали австрійський фізик Л. Мейтнер та англійський фізик О. Фріш. Вони пояснили появу цих елементів розпадом ядер урану, що захопив нейтрон, на приблизно дві рівні частини. Це явище отримало назву поділу ядер, а ядра, що утворюються, - уламків поділу.Крапельна модель ядра
Пояснити цю реакцію поділу можна ґрунтуючись на краплинній моделі ядра. У цій моделі ядро розглядається як крапля зарядженої несжимаемой рідини. Крім ядерних сил, що діють між усіма нуклонами ядра, протони зазнають додаткового електростатичного відштовхування, внаслідок якого вони розташовуються на периферії ядра. У незбудженому стані сили електростатичного відштовхування компенсовані, тому ядро має сферичну форму (рис. 1).Рис. 1
Після захоплення ядром нейтрону утворюється проміжне ядро, яке знаходиться у збудженому стані. При цьому енергія нейтрону рівномірно розподіляється між усіма нуклонами, а проміжне ядро деформується і починає коливатися. Якщо збудження невелике, то ядро (рис. 1, б), звільняючись від надлишку енергії шляхом випромінювання
?
-Кванту або нейтрону, повертається у стійкий стан. Якщо ж енергія збудження досить велика, то деформація ядра при коливаннях може бути настільки великою, що в ньому утворюється перетяжка (рис. 1, в), аналогічна перетяжці між двома частинами краплі рідини, що роздвоюється. Ядерні сили, що діють у вузькій перетяжці, вже не можуть протистояти значній кулонівській силі відштовхування частин ядра. Перетяжка розривається, і ядро розпадається на два "уламки" (рис. 1, г), які розлітаються на протилежні сторони.
В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:
.
Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.
При розподілі ядер важких атомів () виділяється дуже велика енергія - близько 200 МеВ при розподілі кожного ядра. Близько 80% цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків; решта 20 % припадає на енергію радіоактивного випромінювання уламків та кінетичну енергію миттєвих нейтронів.
Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах із масовим числом A? 240 порядку 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A= 90 – 145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.
Ланцюгова ядерна реакція
Ланцюгова ядерна реакція - послідовність одиничнихядерних реакцій , кожна з яких викликається часткою, що з'явилася як продукт реакції на попередньому етапі послідовності. Прикладом ланцюгової ядерної реакції є ланцюгова реакціяподілу ядер важких елементів, при якій основна кількість актів поділу ініціюєтьсянейтронами отриманими при розподілі ядер у попередньому поколінні.
При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакції розподілу ядер урану представлена на рис. 3.Рис. 3
Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: (99,3 %) і (0,7 %). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. У цьому реакція розподілу найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра входять у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією близько 1 МеВ. Інакше енергія збудження ядер, що утворилися.
виявляється недостатньою для поділу, і тоді замість поділу відбуваються ядерні реакції:
.
Ізотоп урану ?
-Радіоактивний, період напіврозпаду 23 хв. Ізотоп нептунія також радіоактивний, період напіврозпаду близько 2 днів.
.
Ізотоп плутонію щодо стабільний, період напіврозпаду 24000 років. Найважливіше властивість плутонію у тому, що він ділиться під впливом нейтронів як і, як. Тому за допомогою може бути здійснена ланцюгова реакція.
Розглянута вище схема ланцюгової реакції є ідеальним випадком. У реальних умовах не всі нейтрони, що утворюються при розподілі, беруть участь у розподілі інших ядер. Частина їх захоплюється ядрами сторонніх атомів, що не діляться, інші вилітають з урану назовні (витік нейтронів).
Тому ланцюгова реакція поділу важких ядер виникає не завжди і не за будь-якої маси урану.
Коефіцієнт розмноження нейтронів
Розвиток ланцюгової реакції характеризується так званим коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який вимірюється відношенням числа N i нейтронів, що викликають розподіл ядер речовини на одному з етапів реакції, до числа N i-1 нейтронів, що викликали поділ на попередньому етапі реакції:.
Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, що ділиться, від геометричної форми займаного ним обсягу. Одна і та ж кількість даної речовини має різне значення До. Домаксимально, якщо речовина має кулясту форму, оскільки в цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню буде найменшою.
Маса речовини, що ділиться, в якому ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом розмноження До= 1 називається критичної масою. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні.
Значення критичної маси визначається геометрією фізичної системи, її структурою та зовнішнім оточенням. Так, для кулі з чистого урану критична маса дорівнює 47 кг (куля діаметром 17 см). Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.
Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.
Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.
При коефіцієнті розмноження До= 1 число ядер, що діляться, підтримується на постійному рівні. Такий режим забезпечується у ядерних реакторах.
Якщо маса ядерного палива менша від критичної маси, то коефіцієнт розмноження До < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Якщо ж маса ядерного палива більша за критичну, то коефіцієнт розмноження До> 1 і кожне нове покоління нейтронів викликає дедалі більше поділів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху, що супроводжується величезним виділенням енергії та підвищенням температури навколишнього середовища до кількох мільйонів градусів. Ланцюгова реакція такого роду відбувається під час вибуху атомної бомби.
Ядерний реактор
Ядерний реактор - пристрій, в якому здійснюється керованаядерна ланцюгова реакція , що супроводжується виділенням енергії Перший - ядерний реактор побудований у грудні 1942 у США під керівництвом Еге.Фермі . У Європі перший ядерний реактор запущено у грудні 1946 р. у Москві під керівництвом І.В.Курчатова . До 1978 року у світі працювало вже близько тисячі ядерних реакторів різних типів. Складовими частинами будь-якого ядерного реактора є:активна зона з ядерним паливом , зазвичай оточена відбивачем нейтронів,теплоносій , система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист, система дистанційного керування Основною характеристикою ядерного реактора є його потужність. Потужність в 1 Мітвідповідає ланцюговій реакції, в якій відбувається 3·10 16 актів поділу на 1 сек.
В активній зоні ядерного реактора знаходиться ядерне паливо, протікає ланцюгова реакція ядерного поділу і виділяється енергія. Ядерний реактор характеризується ефективним коефіцієнтом Кефрозмноження нейтронів або реактивністю r:
R = (К? - 1) / До еф. (1)
Якщо До еф > 1 то ланцюгова реакція наростає в часі, Ядерний реактор знаходиться в надкритичному стані і його реактивність r > 0; якщо До еф < 1 , то реакція згасає, реактор - підкритичний, r< 0; при До ? = 1, r = 0 реактор знаходиться в критичному стані, йде стаціонарний процес і число поділів постійно в часі. Для ініціювання ланцюгової реакції при пуску ядерного реактора в активну зону зазвичай вносять джерело нейтронів (суміш Ra і Be, 252 Cf та ін), хоча це і не обов'язково, тому що спонтанний поділ ядерурану та космічні промені дають достатню кількість початкових нейтронів для розвитку ланцюгової реакції при До еф > 1.
В якості речовини, що ділиться в більшості Ядерний реактор застосовують 235 U . Якщо активна зона, крім ядерного палива (природне або збагаченеуран), містить уповільнювач нейтронів (графіт, вода та інші речовини, що містять легкі ядра, див.Уповільнення нейтронів ), то основна частина поділів відбувається під дієютеплових нейтронів (тепловий реактор ). У ядерному реакторі на теплових нейтронах може бути використаний природнийуран , не збагачений 235 U (Такими були перші ядерні реактори). Якщо уповільнювача в активній зоні немає, то основна частина поділів викликається швидкими нейтронами з енергією x n > 10 кев(швидкий реактор ). Можливі також реактори на проміжних нейтронах з енергією 1-1000 ев.
За конструкцією Ядерний реактор поділяються на гетерогенні реактори , в яких ядерне паливо розподілене в активній зоні дискретно у вигляді блоків, між якими знаходиться уповільнювач нейтронів, тагомогенні реактори , в яких ядерне паливо та сповільнювач представляють однорідну суміш (розчин або суспензія). Блоки з ядерним паливом у гетерогенному в Ядерному реакторі називаютьсятепловиділяючими елементами (ТВЕЛ"ами), утворюють правильні грати; обсяг, що припадає на один ТВЕЛ, називається осередком. За характером використання Ядерний реактор діляться на енергетичні реактори ідослідні реактори . Часто один ядерний реактор виконує кілька функцій .
В умовах критичності Ядерний реактор має вигляд:
До еф = До ? ? Р = 1, (1)
Де 1 - Р - ймовірність виходу (витікання) нейтронів з активної зони Ядерного реактора, До ? - коефіцієнт розмноження нейтронів в активній зоні нескінченно великих розмірів, який визначається для теплових ядерних реакторів так званої «формулою 4 співмножників»:
До? = neju. (2)
Тут n - середня кількість вторинних (швидких) нейтронів, що виникають при розподілі ядра 235 U тепловими нейтронами, e - коефіцієнт розмноження на швидких нейтронах (збільшення числа нейтронів за рахунок розподілу ядер, головним чином ядер 238 U , Швидкими нейтронами); j - ймовірність того, що нейтрон не захопиться ядром 238 U у процесі уповільнення, u - ймовірність того, що тепловий нейтрон викличе поділ. Часто користуються величиною h = n/(l + a), де a - відношення перерізу радіаційного захоплення s р до перерізу ділення s д.
Умова (1) визначає розміри ядерного реактора. Наприклад, для ядерного реактора з природного урану та графіту n = 2.4. e » 1,03, eju » 0,44, звідки До? =1,08. Це означає, що для До ? > 1 необхідно Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 м.Обсяг сучасного енергетичного ядерного реактора досягає сотень м 3 і визначається головним чином можливостями теплозйомки, а не умовами критичності. Обсяг активної зони Ядерного реактора в критичному стані називається критичним обсягом Ядерного реактора, а маса речовини, що ділиться - критичної масою. Найменшою критичною масою мають Ядерний реактор з паливом у вигляді розчинів солей чистих ізотопів, що діляться у воді і з водяним відбивачем нейтронів. Для 235 U ця маса дорівнює 0,8 кг, для 239 Pu - 0,5 кг.Найменшою критичною масою має 251 Cf (Теоретично 10 г). Критичні параметри графітового ядерного реактора з природнимураном: маса урану 45 т, обсяг графіту 450 м 3 . Для зменшення витоку нейтронів активній зоні надають сферичну або близьку до сферичної форми, наприклад, циліндр з висотою порядку діаметра або куб (найменше відношення поверхні до об'єму).
Величина n відома теплових нейтронів з точністю 0,3% (табл. 1). При збільшенні енергії x n нейтрона, що викликав поділ, n росте за законом: n = n t + 0,15 x n (x n в Мев), де n t відповідає розподілу тепловими нейтронами.
Табл. 1. - Величини n та h) для теплових нейтронів (за даними на 1977)
| 233 U |
235 U |
239 Pu |
241 Pu |
| n 2,479 |
2,416 |
2,862 |
2,924 |
| h 2,283 |
2,071 |
2,106 |
2,155 |
Величина (e-1) зазвичай становить лише кілька %, проте роль розмноження на швидких нейтронах істотна, оскільки великих Ядерних реакторів ( До ? - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в яких вперше було здійснено ланцюгову реакцію, неможливо було б створити, якби не існувало поділу на швидких нейтронах).
Максимально можливе значення J досягається в Ядерному реакторі, який містить тільки ядра, що діляться. Енергетичні ядерні реактори використовують слабо збагачений
уран (концентрація 235 U ~ 3-5%), і ядра 238 U поглинають помітну частину нейтронів. Так, для природної суміші ізотопівурану максимальне значення nJ = 1,32. Поглинання нейтронів у сповільнювачі та конструкційних матеріалах зазвичай не перевищує 5-20% від поглинання всіма ізотопами ядерного палива. З уповільнювачів найменше поглинання нейтронів має важка вода, з конструкційних матеріалів - Al та Zr .Імовірність резонансного захоплення нейтронів ядрами 238
U в процесі уповільнення (1-j) істотно знижується в гетерогенних ядерних реакторах Зменшення (1 - j) пов'язане з тим, що число нейтронів з енергією, близькою до резонансної, різко зменшується всередині палива і в резонансному поглинанні бере участь тільки зовнішній шар блоку. Гетерогенна структура ядерного реактора дозволяє здійснити ланцюговий процес на природномуурані . Вона зменшує величину О, проте цей програш у реактивності значно менше, ніж виграш через зменшення резонансного поглинання.Для розрахунку теплових ядерних реакторів необхідно визначити спектр теплових нейтронів. Якщо поглинання нейтронів дуже слабке і нейтрон встигає багато разів зіткнутися з ядрами сповільнювача до поглинання, то між повільним середовищем і нейтронним газом встановлюється термодинамічна рівновага (термалізація нейтронів), і спектр теплових нейтронів описується
Максвелла розподілом . Насправді поглинання нейтронів в активній зоні ядерного реактора досить велике. Це призводить до відхилення від розподілу Максвелла - середня енергія нейтронів більша за середню енергію молекул середовища. На процес термалізації впливають рухи ядер,хімічні зв'язки атомів та ін.Вигоряння та відтворення ядерного палива.
У процесі роботи Ядерного реактора відбувається зміна складу палива, пов'язана з накопиченням у ньому уламків поділу та з утвореннямтрансуранових елементів , головним чином ізотопів Pu . Вплив осколків поділу на реактивність Ядерного реактора називається отруєнням (для радіоактивних уламків) та зашлаковуванням (для стабільних). Отруєння зумовлене головним чином 135 Xe який має найбільший переріз поглинання нейтронів (2,6·10 6 барн). Період його напіврозпаду T 1/2 = 9,2 год, вихід при розподілі становить 6-7%. Основна частина 135 Xe утворюється внаслідок розпаду 135 ] (Тц = 6,8 год). При отруєнні Кеф змінюється на 1-3%. Великий перетин поглинання 135 Xe та наявність проміжного ізотопу 135 I призводять до двох важливих явищ: 1) до збільшення концентрації 135 Xe і, отже, зменшення реактивності Ядерного реактора після його зупинки чи зниження потужності («йодна яма»). Це змушує мати додатковий запас реактивності в органах регулювання або унеможливлює короткочасні зупинки та коливання потужності. Глибина та тривалістьйодний ями залежить від потоку нейтронів Ф: при Ф = 5·10 13 нейтрон/см 2 ? сіктривалістьйодний ями ~ 30 год, а глибина в 2 рази перевищує стаціонарну зміну До еф, спричинене отруєнням 135 Xe . 2) Через отруєння можуть відбуватися просторово-часові коливання нейтронного потоку Ф, а значить - і потужності Ядерного реактора. Ці коливання виникають при Ф> 1013 нейтронів/см 2 ? сек і великих розмірах ядерного реактора.Періоди коливань ~ 10 год.
Число різних стабільних уламків, що виникають при розподілі ядер, велике. Розрізняють уламки з великими і малими перерізами поглинання в порівнянні з перерізом поглинання ізотопу, що ділиться. Концентрація перших досягає насичення протягом кількох перших діб роботи Ядерного реактора (головним чином 149 Sm , що змінює Кеф на 1%). Концентрація других і негативна реактивність, що вноситься ними, зростають лінійно в часі.
Утворення трансуранових елементів у Ядерному реакторі відбувається за схемами:
Тут 3 означає захоплення нейтрону, число під стрілкою період напіврозпаду.
Накопичення 239 Pu (ядерного пального) на початку роботи Ядерного реактора відбувається лінійно в часі, причому тим швидше (при фіксованому вигорянні 235 U ), чим менше збагаченняурану. Потім концентрація 239 Pu прагне постійної величини, яка залежить від ступеня збагачення, а визначається ставленням перерізів захоплення нейтронів 238 U та 239 Pu . Характерний час встановлення рівноважної концентрації 239 Pu ~ 3/ Ф років (Ф в од. 10 13 нейтронів/ см 2 ? сек). Ізотопи 240 Pu , 241 Pu досягають рівноважної концентрації тільки при повторному спалюванні пального в ядерному реакторі після регенерації ядерного палива.
Вигоряння ядерного палива характеризують сумарною енергією, що виділилася в ядерному реакторі на 1 тпалива. Для ядерних реакторів, що працюють на природному урані, максимальне вигоряння ~ 10 ГВТ?добу/т(важко-водні ядерні реактори). У ядерному реакторі зі слабо збагаченимураном (2-3% 235 U ) досягається вигоряння ~ 20-30 Гвт-сут/т.У ядерному реакторі на швидких нейтронах - до 100 Гвт-сут/т.Вигоряння 1 Гвт-сут/твідповідає згорянню 0,1% ядерного палива.
При вигоранні ядерного палива реактивність ядерного реактора зменшується (в ядерному реакторі на природному урані при малих вигорання відбувається деяке зростання реактивності). Заміна вигорілого палива може проводитися відразу з усієї активної зони або поступово по ТВЕЛ так, щоб в активній зоні знаходилися ТВЕЛ різного віку - режим безперервного навантаження (можливі проміжні варіанти). У першому випадку ядерний реактор зі свіжим паливом має надмірну реактивність, яку необхідно компенсувати. У другому випадку така компенсація потрібна тільки при спочатку з запуску до виходу в режим безперервного навантаження. Безперервне перевантаження дозволяє збільшити глибину вигоряння, оскільки реактивність Ядерного реактора визначається середніми концентраціями нуклідів, що діляться (вивантажуються ТВЕЛ"и з мінімальною концентрацією нуклідів, що діляться). У табл. кг) вводо-водяному реакторі потужністю 3 ГВт.Вивантажується одночасно вся активна зона після роботи Ядерного реактора протягом 3 роківта «витримки» 3 років(Ф = 3?10 13 нейтрон/см 2?сек). Початковий склад: 238 U – 77350, 235 U – 2630, 234 U – 20.
Табл. 2. - Склад палива, що вивантажується, кг
| 238 і т.д................. |
|
|
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). 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 реакторНайбільш 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 поділГрафік 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 реакторПерший 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 реакційРозглянемо 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 реакційХоча кількість можливих таких реакцій величезна, їх можна сортувати за типами. Більшість таких реакцій супроводжується гамма-випромінюванням. Ось деякі приклади:
Різні реакції перегрупування змінюють кількість нейтронів та кількість протонів. Ядерний розпадЯдерні 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:
ЕнергетикаQ-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:
Радіовуглецеве датуванняПри 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 радіовуглецюІснують 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 наукиЗакони 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. План:
ВступЯдерна 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:
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 ядроТеорія 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 збудженняЕнергія 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 реакційПерехід 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 реакціїІмовірність 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 реакціїЧисло 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 реакціїПеребіг 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 реакціяхПри 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 енергіїЯкщо , , , - 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 імпульсуПовний 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 імпульсуМомент 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
5. Види ядерних реакційЯдерні 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 ядраПоділ 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 синтезПри 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 реакціяПри 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. Інші6. Запис ядерних реакційЯдерні 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 .Останні матеріали розділу: 
Присвячується пам'яті митрополита Санкт-Петербурзького та Ладозького Іоанна (Сничева), який благословив мою працю з вивчення підривної антиросійської... 
25 Московських коледжів увійшли до рейтингу "Топ-100" найкращих освітніх організацій Росії. Дослідження проводилося міжнародною організацією... 
Вже довгий час серед чоловіків ходить закон: якщо назвати його таким можна, цього не може знати ніхто, чому ж вони не стримують свої обіцянки. По... | |
