Ядерними реакціями називають. Приклади ядерних реакцій: особливості, рішення та формули

Ядерною реакцією називається процес сильної взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою або іншим ядром, що призводить до перетворення ядра. Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція типу , де
- легкі частки - нейтрон, протон, -частинка, -Квант.

Реакції, що викликаються не дуже швидкими частинками, протікають у два етапи. На першому етапі частинки, що наблизилися до ядра, захоплюються ним, утворюючи проміжне ядро ​​компаунд-ядро. Енергія, привнесена часткою, перерозподіляється між нуклонами, і ядро ​​виявляється у збудженому стані. На другому етапі ядро ​​випускає частинку . .

Якщо
, то це не ядерна реакція, А процес розсіювання. Якщо
- пружне розсіювання, якщо
- Непружне розсіювання.

Реакції, викликані швидкими нуклонами, відбуваються без утворення проміжного ядра – це прямі ядерні взаємодії.

Реакції поділяються:

за родом частинок, що беруть участь у ядерних реакціях.

По енергії частинок, що беруть участь (холодні, гарячі)

За родом ядер, що у реакції (легкі, середні, важкі)

За характером продуктів, які отримуються в результаті реакції (елементарні частинки, протони, нейтрони)

Реакції поділу ядер. У 1938 Ган і Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини періодичної системи. Реакція характеризується виділенням величезної кількості енергії. Згодом було з'ясовано, що ядро, що захопило нейтрон, може ділитися різними шляхами. Продукти розподілу називаються уламками. Найбільш ймовірним є поділ на уламки, маси яких відносяться як:

Церій - стабільний

Цирконій – стабільний.

Ядро урану ділиться лише швидкими нейтронами. При менших енергіях нейтрони поглинаються, і ядро ​​переходить у збуджений стан– це радіаційне захоплення.

Нейтрони, які утворюються в результаті поділу урану, можуть викликати ще реакцію, і т.д. - Це ланцюгова ядерна реакція. Коефіцієнт розмноження нейтронів – це відношення числа нейтронів у цьому поколінні до нейтронів у попередньому поколінні. Ланцюгова реакція йде при
.

Через кінцеві розміри тіла, що ділиться і великий проникаючої здатності, багато нейтронів залишають зону реакції до того, як будуть захоплені ядром. Якщо маса урану, що розділяється, менше деякої критичної, то більшість нейтронів вилітають назовні і ланцюгова реакція не відбувається. Якщо маса більша критичної, нейтрони швидко розмножуються, і реакція має характер вибуху (на цьому заснована дія атомної бомби). У реакторах регулюють критичну масу, поглинаючи зайві нейтрони кадмієвими та вугільними стрижнями.

Злиття легких ядер на більш важкі – це реакція синтезу. Якщо реакція відбувається при високих температурах- Це термоядерна реакція. Термоядерна реакція є, мабуть, одним із джерел енергії Сонця та зірок.

Типи взаємодії елементарних частинок.

Розвиток фізики елементарних частинокпов'язано з вивченням космічних променів. Існує 2 типи космічного випромінювання: первинне, що надходить із космосу і що складається в основному з високоенергетичних протонів, і вторинне, яке утворюється в результаті взаємодії первинних космічних променів з ядрами атомів земної атмосфери. У вторинному випромінюванні виділяють жорстку та м'яку компоненти.

Існує 4 типи взаємодії:

Сильна взаємодія в 100 разів більша, ніж електромагнітна, і в 10 14 разів, ніж слабка. Радіус дії сильного 10-15 м, слабкого 10-19 м.

Протягом довгого часу людину не залишали мрії про взаємоперетворення елементів – точніше, про перетворення різних металівв один. Після усвідомлення безплідності цих спроб утвердилася думка про непорушність хімічних елементів. І тільки відкриття структури ядра на початку XX століття показало, що перетворення елементів один на інший можливе - але не хімічними методамитобто впливом на зовнішні електронні оболонкиатомів, а шляхом втручання у структуру атомного ядра. Такі явища (і деякі інші) відносяться до ядерних реакцій, приклади яких будуть розглянуті нижче. Але насамперед необхідно згадати деякі основні поняття, які знадобляться під час цього розгляду.

Загальне поняття про ядерні реакції

Існують явища, в яких ядро ​​атома того чи іншого елемента вступає у взаємодію з іншим ядром або якоюсь елементарною частинкою, тобто обмінюється з ними енергією та імпульсом. Подібні процеси називаються ядерними реакціями. Результатом їх може стати зміна складу ядра або утворення нових ядер із випромінюванням певних частинок. При цьому можливі такі варіанти, як:

• перетворення одного хімічного елементав інший;
• синтез, тобто злиття ядер, при якому утворюється ядро ​​більше важкого елемента.

Початкова фаза реакції, що визначається типом і станом частинок, що входять до неї, називається вхідним каналом. Вихідні канали – це можливі шляхи, якими реакція протікатиме.

Правила запису ядерних реакцій

У наведених нижче прикладах демонструються способи, за допомогою яких прийнято описувати реакції за участю ядер і елементарних частинок.

Перший спосіб - той, що застосовується в хімії: у лівій частині ставляться вихідні частки, у правій - продукти реакції. Наприклад, взаємодія ядра берилію-9 з альфа-частинкою, що налітає (так звана реакція відкриття нейтрона) записується наступним чином:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Верхні індекси позначають кількість нуклонів, тобто масові числа ядер, нижні – кількість протонів, тобто атомні номери. Суми тих та інших у лівій та правій частині повинні збігатися.

Скорочений спосіб написання рівнянь ядерних реакцій, що часто застосовується у фізиці, виглядає так:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Загальний вигляд такого запису: A (a, b 1 b 2 …) B. Тут A – ядро-мішень; a - налітаюча частка або ядро; b 1 , b 2 і так далі - легкі продукти реакції; B - кінцеве ядро.

Енергетика ядерних реакцій

У ядерних перетвореннях виконується закон збереження енергії (поруч із іншими законами збереження). При цьому кінетична енергія частинок у вхідному та вихідному каналі реакції можуть відрізнятися за рахунок зміни енергії спокою. Оскільки остання еквівалентна масі частинок, до і після реакції маси також будуть неоднакові. Але повна енергія системи завжди зберігається.

Різниця енергії спокою вступників у реакцію і частинок, що виходять з неї, називається енергетичним виходом і виражається у зміні їх кінетичної енергії.

У процесах за участю ядер застосовуються три види фундаментальних взаємодій- електромагнітне, слабке та сильне. Завдяки останньому ядро ​​має таку найважливішу особливість, як висока енергія зв'язку між складовими його частинками. Вона значно вища, ніж, наприклад, між ядром і атомними електронамичи між атомами в молекулах. Про це свідчить помітний дефект маси - різниця між сумою мас нуклонів і масою ядра, яка завжди менша на величину, пропорційну енергії зв'язку: m = E св /c 2 . Розрахунок дефекту маси проводиться за простою формулою Δm = Zm p + Am n - М я, де Z - заряд ядра, A - масове число, m p - маса протона (1,00728 а.е.м.), m n - маса нейтрона ( 1,00866 а.е.м.), M я - маса ядра.

При описі ядерних реакцій використовується поняття питомої енергії зв'язку (тобто для одного нуклон: mc 2 /A).

Енергія зв'язку та стабільність ядер

Найбільшою стійкістю, тобто найвищою питомою енергієюзв'язку відрізняються ядра з масовим числом від 50 до 90, наприклад, залізо. Такий «пік стабільності» обумовлений нецентральним характером ядерних сил. Оскільки кожен нуклон взаємодіє тільки з сусідами, на поверхні ядра він пов'язаний слабше, ніж усередині. Чим менше в ядрі нуклонів, що взаємодіють, тим менше і енергія зв'язку, тому легкі ядра менш стабільні. У свою чергу, зі зростанням кількості частинок в ядрі зростають кулонівські сили відштовхування між протонами, тож енергія зв'язку важких ядер також зменшується.

Таким чином, для легких ядер найбільш ймовірними, тобто енергетично вигідними, є реакції злиття з формуванням стійкого ядра середньої маси, для важких - навпаки, процеси розпаду і поділу (нерідко багатоступінчасті), в результаті яких також утворюються більш стабільні продукти. Цим реакціям властивий позитивний і часто дуже високий енергетичний вихід, що супроводжує збільшення енергії зв'язку.

Нижче ми розглянемо деякі приклади ядерних реакцій.

Реакції розпаду

Ядра можуть зазнавати спонтанної зміни складу та структури, при яких відбувається випромінювання будь-яких елементарних частинок або фрагментів ядра, таких як альфа-частинки або важчі кластери.

Так, при альфа-розпаді, можливому завдяки квантовому тунелюванню, альфа-частка долає потенційний бар'єрядерних сил і залишає материнське ядро, яке відповідно зменшує атомний номерна 2, а масове число - на 4. Наприклад, ядро ​​радію-226, випускаючи альфа-частку, перетворюється на радон-222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Енергія розпаду ядра радію-226 становить близько 4,87 МеВ.

Бета-розпад обумовлений відбувається без зміни кількості нуклонів ( масового числа), але зі збільшенням чи зменшенням заряду ядра на 1, при випромінюванні антинейтрино чи нейтрино, і навіть електрона чи позитрона. Приклад ядерної реакції даного типує бета-плюс-розпад фтору-18. Тут один з протонів ядра перетворюється на нейтрон, випромінюються позитрон і нейтрино, а фтор перетворюється на кисень-18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .

Енергія бета-розпаду фтору-18 – близько 0,63 МеВ.

Поділ ядер

Набагато більший енергетичний вихід мають реакції розподілу. Так називається процес, при якому ядро ​​мимоволі або вимушено розпадається на близькі по масі уламки (як правило, два, рідко - три) і деякі легші продукти. Ядро ділиться, якщо його потенційна енергія перевищить вихідне значення деяку величину, звану бар'єром поділу. Проте ймовірність спонтанного процесу навіть важких ядер невелика.

Вона суттєво зростає при отриманні ядром відповідної енергії ззовні (при попаданні до нього частки). Найбільш легко проникає в ядро ​​нейтрон, оскільки він не схильний до сил електростатичного відштовхування. Попадання нейтрону призводить до підвищення внутрішньої енергіїядра, воно деформується з утворенням перетяжки та ділиться. Уламки розлітаються під дією кулонівських сил. Приклад ядерної реакції поділу демонструє уран-235, що поглинув нейтрон:

235 92 U + 10 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.

Розщеплення на барій-144 та криптон-89 - лише один із можливих варіантівподілу урану-235. Цю реакцію можна записати у вигляді 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, де 236 92 U* - сильно збуджене складове ядро ​​з високою потенційною енергією. Надлишок її поряд з різницею енергій зв'язку материнського та дочірніх ядер виділяється головним чином (близько 80%) у формі кінетичної енергії продуктів реакції, а також частково у формі потенційної енергії уламків поділу. Загальна енергія поділу потужного ядра - приблизно 200 МеВ. У перерахунку на 1 грам урану-235 (за умови, що прореагували всі ядра) це становить 8,2 ∙ 10 4 мегаджоулів.

Ланцюгові реакції

Поділ урану-235, а також таких ядер, як уран-233 та плутоній-239, характеризується однією важливою особливістю- Наявністю серед продуктів реакції вільних нейтронів. Ці частинки, проникаючи в інші ядра, у свою чергу, здатні ініціювати їх поділ знов-таки з вильотом нових нейтронів і так далі. Подібний процес називається ланцюговою ядерною реакцією.

Перебіг ланцюгової реакції залежить від того, як співвідноситься кількість нейтронів, що вилітають, чергового покоління з кількістю їх у попередньому поколінні. Це відношення k = N i / N i -1 (тут N - кількість частинок, i - порядковий номерпокоління) зветься коефіцієнта розмноження нейтронів. При k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 число нейтронів, а значить, і ядер, що діляться, зростає лавиноподібно. Приклад ланцюгової ядерної реакції такого типу – вибух атомної бомби. При k = 1 процес протікає стаціонарно, прикладом чого служить реакція, керована за допомогою поглинаючих нейтрони стрижнів, в ядерних реакторах.

Ядерний синтез

Найбільше енерговиділення (з розрахунку на один нуклон) відбувається при злитті легких ядер - про реакціях синтезу. Щоб вступити в реакцію, позитивно заряджені ядра повинні подолати кулоновський бар'єр і зблизитися на відстань сильної взаємодії, що не перевищує розмірів самого ядра. Тому вони повинні мати надзвичайно велику кінетичну енергію, що означає високі температури (десятки мільйонів градусів і вище). Тому реакції синтезу ще називають термоядерними.

Приклад ядерної реакції синтезу - утворення гелію-4 з вильотом нейтрону при злитті ядер дейтерію та тритію:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Тут вивільняється енергія 17,6 МеВ, що з розрахунку на один нуклон більш ніж у 3 рази перевищує енергію поділу урану. У тому числі 14,1 МеВ посідає кінетичну енергію нейтрону і 3,5 МеВ - ядра гелію-4. Така істотна величина створюється за рахунок величезної різниці в енергіях зв'язку ядер дейтерію (2,2246 МеВ) та тритію (8,4819 МеВ) з одного боку, і гелію-4 (28,2956 МеВ) – з іншого.

У реакціях поділу ядра вивільняється енергія електричного відштовхування, тоді як із синтезі энерговыделение відбувається з допомогою сильного взаємодії - найпотужнішого у природі. Це визначає такий значний енергетичний вихід даного типу ядерних реакцій.

Приклади розв'язання задач

Розглянемо реакцію поділу 235 92 U + 10 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 10 n. Який її енергетичний вихід? У загальному виглядіформула для його розрахунку, що відображає різницю енергій спокою частинок до і після реакції, виглядає так:

Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + …) ∙ c 2 ​​.

Замість множення на квадрат швидкості світла можна помножити різницю мас на коефіцієнт 931,5 та отримати значення енергії у мегаелектронвольтах. Підставивши у формулу відповідні значення атомних мас, Отримаємо:

Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МеВ.

Ще один приклад – на реакцію синтезу. Це один із етапів протон-протонного циклу – головного джерела сонячної енергії.

3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.

Застосуємо ту саму формулу:

Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МеВ.

Основна частка цієї енергії - 12,8 МеВ - припадає на даному випадкуна гамма-фотон.

Ми розглянули лише найпростіші приклади ядерних реакцій. Фізика цих процесів надзвичайно складна, вони відрізняються величезною різноманітністю. Дослідження та застосування ядерних реакцій має велике значенняяк у практичній галузі (енергетика), так і в фундаментальній науці.

Теорія відносності каже, що маса – це особлива формаенергії. З цього випливає, що можна перетворити масу на енергію і енергію на масу. На внутрішньоатомному рівні такі реакції мають місце. Зокрема, деяка кількість маси цілком може перетворитися на енергію. Це відбувається кількома шляхами. По-перше, ядро ​​може розпастися на кілька дрібніших ядер, ця реакція називається «розпадом». По-друге, дрібніші ядра можуть запросто з'єднатися, щоб вийшло більший, - це реакція синтезу. У Всесвіті такі реакції дуже поширені. Досить сказати, що реакція синтезу – джерело енергії для зірок. А ось реакція розпаду використовується людством на тому, що люди навчилися контролювати ці складні процеси. Але що таке ланцюгова ядерна реакція? Як нею керувати?

Що відбувається в ядрі атома

Ланцюгова ядерна реакція - процес, що йде при зіткненні елементарних частинок або ядер з іншими ядрами. Чому «ланцюгова»? Це сукупність послідовних одиночних ядерних реакцій. Внаслідок цього процесу відбувається зміна квантового стану та нуклонного складу у вихідного ядра, з'являються навіть нові частки - продукти реакції. Ланцюгова ядерна реакція, фізика якої дозволяє досліджувати механізми взаємодії ядер з ядрами і частинками, - це основний метод отримання нових елементів і ізотопів. Щоб зрозуміти протікання ланцюгової реакції, треба спочатку розібратися з одиночними.

Що потрібно для реакції

Для того, щоб здійснити такий процес, як ланцюгова ядерна реакція, необхідно зблизити частинки (ядро і нуклон, два ядра) на відстань радіусу сильної взаємодії (приблизно один фермі). Якщо відстані великі, то взаємодія заряджених частинок буде суто кулонівською. У ядерній реакції дотримуються всі закони: збереження енергії, моменту, імпульсу, баріонного заряду. Ланцюгова ядерна реакція позначається набором символів а, b, c, d. Символ а позначає вихідне ядро, b - частинку, що налітає, з - нову частинку, що вилітає, а d позначає результуюче ядро.

Енергія реакції

Ланцюгова ядерна реакція може проходити як з поглинанням, так і з виділенням енергії, що дорівнює різниці мас частинок після реакції і до неї. Енергія, що поглинається, визначає мінімальну кінетичну енергію зіткнення, так званий поріг ядерної реакції, при якій вона може вільно протікати. Цей поріг залежить від частинок, що беруть участь у взаємодії, та від їх характеристик. на початковому етапівсі частки перебувають у наперед визначеному квантовому стані.

Здійснення реакції

Основним джерелом заряджених частинок, якими бомбардується ядро, що дає пучки протонів, важких іонів та легких ядер. Повільні нейтрони отримують завдяки використанню ядерних реакторів. Для фіксації заряджених частинок, що налітають, можуть бути використані різні типиядерних реакцій - як синтезу, і розпаду. Імовірність залежить від параметрів частинок, які стикаються. З цією ймовірністю пов'язана така характеристика, як переріз реакції - величина ефективної площі, яка характеризує ядро ​​як мішеню для частинок, що налітають і яка є мірою ймовірності вступу частинки і ядра у взаємодію. Якщо в реакції беруть участь частинки з ненульовим значенням спина, то перетин залежить від їх орієнтації. Оскільки спини частинок, що налітають, орієнтовані не зовсім хаотично, а більш-менш упорядковано, то всі корпускули будуть поляризовані. Кількісна характеристикаорієнтованих спинів пучка описується вектором поляризації.

Механізм реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Як уже говорилося, це послідовність більше простих реакцій. Характеристики частки, що налітає, і її взаємодії з ядром залежать від маси, заряду, кінетичної енергії. Взаємодія визначається ступенем свободи ядер, які порушуються при зіткненні. Отримання контролю над усіма цими механізмами дозволяє проводити такий процес, як керована ланцюгова ядерна реакція.

Прямі реакції

Якщо заряджена частка, яка налітає на ядро-мішень, лише стосується його, то тривалість зіткнення дорівнюватиме необхідному для подолання відстані радіуса ядра. Таку ядерну реакцію називають прямою. Загальною характеристикоювсім реакцій такого типу є порушення малого числа ступенів свободи. У такому процесі після першого зіткнення частка має ще достатньо енергії для подолання ядерного тяжіння. Наприклад, такі взаємодії, як непружне розсіювання нейтронів, обмін заряду, і належать до прямих. Вклад таких процесів у характеристику під назвою "повний перетин" є досить мізерним. Однак розподіл продуктів проходження прямої ядерної реакції дозволяє визначити ймовірність вильоту від кута напряму пучка, селективність заселених станів та визначити їхню структуру.

Передрівноважна емісія

Якщо частка не залишить область ядерної взаємодії після першого ж зіткнення, вона буде залучена в цілий каскад з послідовних зіткнень. Це фактично саме те, що називається ланцюговою ядерною реакцією. Внаслідок такої ситуації кінетична енергія частки розподіляється серед складових частин ядра. Саме стан ядра буде поступово сильно ускладнюватися. Під час цього процесу на якомусь нуклоні або цілому кластері (групі нуклонів) може бути сконцентрована енергія, достатня для емісії цього нуклону з ядра. Подальша релаксація призведе до формування статистичної рівноваги та утворення складеного ядра.

Ланцюгові реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Це послідовність її складових частин. Тобто множинні послідовні одиничні ядерні реакції, викликані зарядженими частинками, з'являються як продукти реакції на попередніх кроках. Що називається ланцюговою ядерною реакцією? Наприклад, розподіл важких ядер, коли множинні акти розподілу ініціюються отриманими за попередніх розпадах нейтронами.

Особливості ланцюгової ядерної реакції

Серед усіх хімічних реакцій велике поширенняотримали саме ланцюгові. Частинки з невикористаними зв'язками виконують роль вільних атомів чи радикалів. При такому процесі як ланцюгова ядерна реакція механізм її протікання забезпечують нейтрони, які не мають кулонівського бар'єру і збуджують ядро ​​при поглинанні. Якщо середовищі з'являється необхідна частка, вона викликає ланцюг наступних перетворень, які триватимуть до розриву ланцюга через втрату частки-носія.

Чому губиться носій

Є лише дві причини втрати частки-носія безперервного ланцюга реакцій. Перша полягає в поглинанні частки без процесу вторинної випромінювання. Друга – догляд частинки за межу об'єму речовини, яка підтримує ланцюговий процес.

Два типи процесу

Якщо кожному періоді ланцюгової реакції народжується виключно одинична частинка-носій, можна назвати цей процес неразветвленным. Вона не може призвести до виділення енергії в великих масштабах. Якщо з'явилося багато частинок-носіїв, це називається розгалуженою реакцією. Що таке ланцюгова ядерна реакція із розгалуженням? Одна з отриманих у попередньому акті вторинних частинок продовжить розпочатий раніше ланцюг, а ось інші створять нові реакції, які теж розгалужуватимуться. З цим процесом конкуруватимуть процеси, що призводять до обриву. Отримана в результаті ситуація породжуватиме специфічні критичні та граничні явища. Наприклад, якщо обривів більше, ніж чисто нових ланцюгів, самопідтримка реакції буде неможливим. Навіть якщо порушити її штучно, ввівши в цю середу потрібну кількість частинок, то процес все одно згасатиме з часом (зазвичай досить швидко). Якщо кількість нових ланцюгів перевищуватиме кількість обривів, то ланцюгова ядерна реакція почне поширюватися у всій речовині.

Критичний стан

Критичним станом відокремлюють область стану речовини з розвиненою ланцюговою реакцією, що самопідтримується, і область, де дана реакція неможлива взагалі. Цей параметр характеризується рівністю між кількістю нових ланцюгів та кількістю можливих обривів. Як і наявність вільної частки-носія, критичний станє основним пунктом у списку, як «умови здійснення ланцюгової ядерної реакції». Досягнення цього стану може бути визначено цілим рядом можливих факторів. важкого елемента збуджується лише одним нейтроном. Внаслідок такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція поділу, з'являється більше нейтронів. Отже, цей процес може зробити розгалужену реакцію, де носіями виступатимуть нейтрони. У разі, коли швидкість захоплень нейтронів без поділу чи вильотів (швидкість втрати) компенсуватиметься швидкістю розмноження несучих частинок, то ланцюгова реакція протікатиме в стаціонарному режимі. Ця рівність характеризує коефіцієнт розмноження. У наведеному вище випадку він дорівнює одиниці. Завдяки введенню між швидкістю виділення енергії і коефіцієнтом розмноження можна здійснити управління перебігом ядерної реакції. Якщо ж цей коефіцієнт буде більшим ніж одиниця, то реакція розвиватиметься за експонентом. Некеровані ланцюгові реакціївикористовують у ядерній зброї.

Ланцюгова ядерна реакція в енергетиці

Реактивність реактора визначається великою кількістюпроцесів, що відбуваються у його активній зоні. Усі ці впливи визначаються так званим коефіцієнтом реактивності. Вплив зміни температури графітових стрижнів, теплоносіїв або урану на реактивність реактора та інтенсивність перебігу такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція, характеризуються температурним коефіцієнтом(По теплоносія, по урану, по графіту). Також є залежні характеристики за потужністю, барометричними показниками, паровими показниками. Для підтримки ядерної реакції в реакторі необхідно перетворення одних елементів інші. Для цього потрібно враховувати умови протікання ланцюгової ядерної реакції - наявність речовини, яка здатна ділитися і виділяти з себе при розпаді кілька елементарних частинок, які, як наслідок, викликатимуть поділ інших ядер. Як така речовина найчастіше використовують уран-238, уран-235, плутоній-239. Під час проходження ланцюгової ядерної реакції ізотопи даних елементів розпадатимуться і утворюватимуть два і більше інших. хімічних речовин. У цьому процесі випромінюються звані «гама»-промені, відбувається інтенсивне виділення енергії, утворюються два чи три нейтрони, здатні продовжити акти реакції. Розрізняють повільні і швидкі нейтрони, адже для того, щоб ядро ​​атома розпалося, ці частинки повинні пролетіти з певною швидкістю.

І здатність використовувати ядерну енергію, як у творчих (атомна енергетика), так і руйнівних ( атомна бомба) метою стало, мабуть, одним із найзначніших винаходів минулого ХХ століття. Ну а в основі всієї тієї грізної сили, що таїтися в надрах крихітного атома, лежать ядерні реакції.

Що таке ядерні реакції

Під ядерними реакціями у фізиці розуміється процес взаємодії атомного ядра з іншим подібним йому ядром чи різними елементарними частинками, у результаті відбувається зміни складу і структури ядра.

Небагато історії ядерних реакцій

Перша ядерна реакція в історії була зроблена великим вченим Резерфордом у далекому 1919 під час дослідів з виявлення протонів у продуктах розпаду ядер. Вчений бомбардував атоми азоту альфа частинками, і при зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція.

А так виглядало рівняння цієї ядерної реакції. Саме Резерфорд належить заслуга відкриття ядерних реакцій.

Потім були численні досвіди вчених щодо здійснення різних типівядерних реакцій, наприклад, дуже цікавою та значущою для науки була ядерна реакція, спричинена бомбардуванням атомних ядернейтронами, яку провів видатний італійський фізикЕге. Фермі. Зокрема Фермі виявив, що ядерні перетворення можуть бути викликані не лише швидкими нейтронами, а й повільними, які рухаються з тепловими швидкостями. До слова ядерні реакції, викликані впливом температури, отримали назву термоядерних. Що ж до ядерних реакцій під дією нейтронів, то вони дуже швидко отримали свій розвиток у науці, та ще й який, про це читайте далі.

Типова формула ядерної реакції.

Які ядерні реакції є у ​​фізиці

У цілому нині відомі нині ядерні реакції можна розділити на:

• розподіл атомних ядер
• термоядерні реакції

Нижче детально напишемо про кожну з них.

Розподіл атомних ядер

Реакція поділу атомних ядер передбачає розпад власне ядра атома на частини. У 1939 році німецькими вченими О. Ганом і Ф. Штрассманом було відкрито поділ ядер атома, продовжуючи дослідження своїх. вчених попередниківВони встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини. періодичної таблиціМенделєєва, а саме радіоактивні ізотопибарію, криптону та деяких інших елементів. На жаль, ці знання спочатку були використані з жахливою, руйнівною метою, адже почалася друга світова війнаі німецькі, а з іншого боку, американські та радянські вчені наввипередки займалися розробкою ядерної зброї(в основі якого була ядерна реакція урану), що закінчилася сумнозвісними ядерними грибаминад японськими містами Хіросимою та Нагасакі.

Але повернемося до фізики, ядерна реакція урану при розщепленні його ядра має просто колосальну енергію, яку наука змогла поставити собі на службу. Як же відбувається така ядерна реакція? Як ми написали вище, вона відбувається внаслідок бомбардування ядра атома урану нейтронами, від чого ядро ​​розколюється, при цьому виникає величезна кінетична енергія близько 200 МеВ. Але найцікавіше, як продукту ядерної реакції поділу ядра урану від зіткнення з нейтроном, виникає кілька вільних нових нейтронів, які, своєю чергою, зіштовхуються з новими ядрами, розколюють їх, і таке інше. В результаті нейтронів стає ще більше і ще більше ядер урану розколюється від зіткнень з ними - виникає справжнісінька ланцюгова ядерна реакція.

Отак вона виглядає на схемі.

При цьому коефіцієнт розмноження нейтронів має бути більше одиниці, це необхідна умоваядерної реакції такого виду. Іншими словами, у кожному наступному поколінні нейтронів, утворених після розпаду ядер, їх має бути більше, ніж у попередньому.

Варто зауважити, що за схожим принципом ядерні реакції при бомбардуванні можуть проходити і під час поділу ядер атомів деяких інших елементів, з тими нюансами, що ядра можуть бомбардуватися різними елементарними частинками, та й продукти таких ядерних реакцій відрізнятимуться, щоб описати їх детальніше , потрібна ціла наукова монографія

Термоядерні реакції

В основі термоядерних реакцій лежать реакції синтезу, тобто по суті відбувається процес зворотний поділу, ядра атомів не розколюються на частини, а навпаки зливаються один з одним. При цьому відбувається виділення великої кількостіенергії.

Термоядерні реакції, як це випливає із самої з назви (термо-температура) можуть протікати виключно при дуже високих температурах. Адже щоб два ядра атомів злилися, вони мають наблизитися до дуже близька відстаньодин до одного, при цьому подолавши електричне відштовхування їх позитивних зарядів, таке можливе при існуванні великої кінетичної енергії, яка, у свою чергу, можлива за високих температур. Слід зазначити, що на відбуваються термоядерні реакції водню, втім, не тільки на ньому, а й на інших зірках, можна навіть сказати, що саме вона лежить в основі їх природи будь-якої зірки.

Ядерні реакції, відео

І на завершення освітнє відео на тему нашої статті, ядерних реакцій.