Ядерные процессы

Ядерная физика

Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция Распад ядер Альфа-распад · Бета-распад · Гамма излучение · Кластерный распад Сложный распад Электронный захват · двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход Излучения Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад Захваты Электронный захват · Нейтронный захват R · S · P · Rp Реакции деления Спонтанное деление · Spallation · Cosmic ray spallation · Photodisintegration Ядерный синтез Stellar Nucleosynthesis Big Bang nucleosynthesis Supernova nucleosynthesis Известные учёные Беккерель · Бете · Мария Кюри · Кюри, Пьер · Ферми

Ядерная реакция лития-6 с дейтерием ⁶Li(d,α)α

Я́дерная реа́кция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, обычно приводящий к выделению колоссального количества энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например, радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд

. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции).

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть, слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

${}^{113}_{48}\textrm{Cd} + n \rightarrow {}^{114}_{48}\textrm{Cd} + \gamma$.

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

${}^{113}_{48}\textrm{Cd}(n, \gamma) {}^{114}_{48}\textrm{Cd}$.

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы

${}^{14}_{7}\textrm{N} (\alpha, p) {}^{17}_{8}\textrm{O}$, где $p = {}^{1}_{1}\textrm{H}$ — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит, как

${}^{14}_{7}\textrm{N} + \alpha \rightarrow p + {}^{17}_{8}\textrm{O}$.

Каналы и сечения реакций

Типы и квантовое состояние частиц (ядер) до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами. Вероятность реакции определяется так называемым поперечным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10⁻²⁴ с

Типы ядерных реакций

Существует несколько разновидностей ядерных реакций. Некоторые из них происходят на Земле в естественных условиях (например, под действием космических лучей и продуктов естественной радиоактивности), другие протекают в космосе (например, в недрах звёзд и Солнца), третьи — используются человеком для выработки электроэнергии, получения новых химических элементов и т. п. (см. ниже).

Реакции с нейтронами

---

Вскоре после открытия нейтрона, Энрико Ферми стал изучать ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают ядерные реакции, причем ядерные превращения вызываются не только быстрыми нейтронами, но и медленными, иногда даже эффективнее. В 1938 г. была впервые осуществлена реакция деления ядер урана нейтронами:

${}^{235}_{92}\textrm{U} + {}^{1}_{0}\textrm{n}\rightarrow {}^{145}_{56}\textrm{Ba}+ {}^{88}_{36}\textrm{Kr}+3{}^{1}_{0}\textrm{n}$.

Для проведения данной реакции использовались изотопы урана (235). (Для проведения цепной реакции чистый изотоп урана (238) непригоден.)

На самом деле ядро 235 урана распадается по реакции: ${}^{235}_{92}\textrm{U} + {}^{1}_{0}\textrm{n}\rightarrow {}^{m1}_{z1}\textrm{A}+ {}^{m2}_{z2}\textrm{B}+X{}^{1}_{0}\textrm{n}+\textrm{Q}$. Где осколки А и В варьируются от 72 до 161 элемента (наиболее вероятен распад на элементы 95 и 139). Количество нейтронов X варьируется от 2 до 3. Параметр Q определяет количество выделенной энергии. Для деления ядра урана-235 энергия примерно равна 200МэВ. Из них ~30 МэВ энергии идет на скорость получившихся нейтронов, а оставшиеся ~170 МэВ передаются осколкам, что можно интерпретировать как выделение тепла.

• При попадании нейтрона в ядро, оно возбуждается и начинает деформироваться, в результате чего образуются одноименно заряженные полюса.
• Под действием электромагнитных сил отталкивания между одноименно заряженными полюсами деформация усиливается.
• В итоге наступает момент, когда электромагнитные силы отталкивания преодолевают ядерные силы притяжения и ядро рассыпается на два осколка, которые разлетаются со скоростями равными ~ 3% скорости света. При этом освобождаются 2-3 нейтрона, так как относительное число нейтронов у возникающих при делении осколков оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. Данная реакция сопровождается выделением большой энергии (которая имеет электростатическое происхождение), так как энергия связи образовавшихся ядер оказывается большей, чем у ядер урана. (При полном делении 1 г урана выделяется такое же количество теплоты, как при сгорании 3 т. каменного угля).

Реакция, в которой частицы вызывающие ее (нейтроны), образуются, как продукты данной реакции называется ядерной цепной реакцией. Ядерная цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов в предшествующем поколении.

• К>1 — неуправляемая цепная реакция, заканчивается взрывом (используется в ядерной бомбе);
• К=1 — управляемая цепная реакция (используется в ядерном реакторе);
• К<1 – цепная реакция невозможна.

Наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называют критической массой. Для чистого урана(235), имеющего форму шара, критическая масса 50 кг (R=9 см). Если применить замедлитель нейтронов и отражающую оболочку из бериллия, то критическая масса снижается до 250 г.

Реакции с лёгкими ядрами

---

Реакции под действием гамма-квантов

Реакции под действием электронов и мюонов

Реакции с участием нейтрино

Реакции с участием адронов

Реакции с тяжёлыми ионами

Характер взаимодействия между сложными ядрами определяется теми же силами - ядерными и электромагнитными, которые действуют в области ядерных реакций с легкими частицами. Однако большие электрический заряд и масса тяжелого иона приводят к некоторым особенностям как в механизме реакции, так и свойствах образующихся ядер.

Термоядерный синтез

Основная статья: Термоядерная реакция

При нормальной температуре слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные кулоновские силы отталкивания. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10^-15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра.

Термоядерная реакция — это реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (10⁷ К):

Термоядерные реакции — основной источник солнечной энергии, лежат в основе водородной бомбы.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде

${}^{2}_{1}\textrm{H}(D) + {}^{3}_{1}\textrm{H}(T)\rightarrow {}^{4}_{2}\textrm{He}+ {}^{1}_{0}\textrm{n}$ + энергия (17,6 MэВ).

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в обычную кинетическую энергию, распределяемую между нейтроном и ядром гелия-4 в пропорции 14,1 MэВ : 3,5 MэВ. Основное преимущество ядерного синтеза состоит в том, что в качестве топлива для него требуется лишь очень небольшое количество весьма распространенных в природе веществ. Данная реакция ядерного синтеза может приводить к выделению огромного количества энергии, в десять миллионов раз превышающего стандартное тепловыделение при обычных химических реакциях (типа сжигания ископаемого топлива). Для сравнения укажем, что количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 гигаВатт (ГВт) составляет 10 000 тонн в день (десять железнодорожных вагонов), а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси D+T.^[1]

Применение ядерных реакций

Военное

См: Ядерное оружие

Термоядерное оружие

Энергетика

Синтез новых элементов

Медицина

Научные исследования

Перспективы

Ядерные реакции в природе

Солнце и звёзды

См. Нуклеосинтез

Недра Земли

См. также

Ядерная энергия

1. ↑ (1)

http://elementy.ru/lib/430807