Ядерные реакции

Виды ядерных реакций

Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра 01.02.2017 22:23 2445

В зависимости от процессов, происходящих с ядрами атомов во время ядерных реакций, различают ядерные реакции деления и ядерные реакции синтеза.

Ядерные реакции деления

Если в результате ядерной реакции ядро расщепляется на более мелкие ядра, такую реакцию называют ядерной реакцией деления.

Деление ядер может происходить самопроизвольно или в результате взаимодействия ядра с другими частицами.

При самопроизвольном, или спонтанном, делении ядро распадается на 2 равные части.

Такое деление возможно только у тяжёлых ядер в момент, когда силы электростатического отталкивания протонов в ядре становятся больше ядерных сил. Вероятность этого события крайне мала.

[attention type=yellow]

К примеру, за пять миллиардов лет лишь одна двухмиллионная часть ядер урана, самого тяжёлого элемента в природе, подверглась спонтанному распаду.

[/attention]

Большинство ядерных реакций деления тяжёлых ядер происходят под действием нейтронов.

В 1939 г. немецкие учёные Отто Ган и Фридрих Вильгельм Штрассман, исследуя элементы, образовавшиеся после облучения урана нейтронами, обнаружили радиоактивный изотоп бария, масса которого была значительно меньше массы урана. Учёные пришли к выводу, что барий образовался в результате распада ядер урана.

Объяснение этого процесса с точки зрения физики дали австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник, английский физик-ядерщик Отто Роберт Фриш. Они впервые употребили термин «деление» и выдвинули версию о делении ядра урана под воздействием нейтрона на 2 примерно одинаковых по массе осколка.

И в самом деле всё происходит именно так. В ядерной реакции деления тяжёлое ядро урана распадается на два (реже три) ядра, массы которых близки по величине.

В природе встречаются три изотопа урана: 23492U, 23592U и 23892U. Особый интерес для физиков представляет реакция деления ядра урана 23592U. При попадании в него нейтрона, образуются 2 или 3 ядра-осколка и 2-3 нейтрона второго поколения.

Эти нейтроны способны вызвать деление других ядер урана и появление 4-9 нейтронов третьего поколения, которые могут бомбардировать новые ядра урана. Процесс деления нарастает лавинообразно.

Такую ядерную реакцию называют цепной реакцией деления.

Но так происходит только в идеальном случае. На самом деле не все нейтроны могут вызывать деление ядер урана23592U.  В добытом из урановой руды природном уране в процентном отношении 23592U составляет всего лишь 0,72%. Доля 23492U ещё меньше — 0,0055 %. Остальные 99,2745 % приходятся на долю 23892U.

[attention type=red]

Этот изотоп относительно устойчив и просто поглощает нейтроны, не давая начаться цепной реакции. Часть нейтронов поглощается ядрами других элементов, образовавшихся на предыдущем этапе цепной реакции. И их концентрации может оказаться недостаточно, чтобы цепная реакция развивалась.

[/attention]

Поэтому, чтобы цепная реакция продолжалась, необходимо, чтобы на следующем этапе реакции нейтронов было больше, чем на предыдущем.

В куске урана с маленькой массой нейтроны могут вообще вылетать за его пределы, не успев столкнуться ни с одним ядром.  Минимальную массу вещества, которая необходима для начала самоподдерживающейся цепной реакция деления, называют критической массой. Для природного урана 23592U критическая масса равна 50 кг.

В результате реакции деления 23592U возможно образование около ста различных изотопов: 14456 Ba (барий), 14054 Хе (ксенон), 94 38 Sr (стронций) и т.д.

Так как в образовавшихся ядрах-осколках наблюдается избыток нейтронов, то они нестабильны.

В них происходят последовательно β–-распады, в результате которых протонов в ядрах становится больше, а количество нейтронов уменьшается. И так продолжается до тех пор, пока новое ядро не станет стабильным.

https://www.youtube.com/watch?v=71VAt25p7vg

В процессе деления одного ядра урана освобождается кинетическая энергия порядка 200 МэВ. Это огромная величина. И человечество научилось использовать её с пользой для себя, создав управляемые ядерные реакторы.

Ядерные реакции синтеза

Процесс слияния лёгких ядер в одно, более тяжёлое, ядро называется ядерной реакцией синтеза.

Ядерная реакция синтеза – по сути прямая противоположность реакции деления, так как в ней происходит объединение более мелких ядер в более крупные.

Атомные ядра имеют положительный заряд. Следовательно, их слиянию препятствуют силы электростатического отталкивания («кулоновский барьер»).

[attention type=green]

Но если сблизить ядра на расстояние, равное размеру их ядер (10−15 м), на них начнут действовать ядерные силы притяжения, примерно в 100 раз превосходящие силы электростатического отталкивания.

[/attention]

Поэтому чтобы началась реакция синтеза, ядра должны преодолеть «кулоновский барьер». Это возможно только в том случае, если кинетическая энергия теплового движения молекул вещества больше потенциальной энергии кулоновского взаимодействия.

Для этого вещество должно быть нагрето до очень высоких температур (примерно 108–109 К). При такой температуре оно представляет собой ионизированную плазму. Это особое состояние вещества, в котором ядра и электроны как бы независимы друг от друга.

Реакцию синтеза, проходящую при сверхвысоких температурах, называют термоядерной реакцией (от греческого слова therme, что означает «жар»).

Термоядерные реакции проходят с выделением энергии. И если при делении одного ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ (0, 9 МэВ на 1 нуклон), то в термоядерной реакции синтеза ядер изотопов водорода дейтерия и трития с образованием гелия выделяется 17,6 МэВ:

21H + 21H → 42He + 10n + энергия (17,6 МэВ).

В природе термоядерные реакции протекают в звёздах.

Искусственная термоядерная реакция на Земле впервые была проведена на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 г., где взорвали ядерную бомбу, созданную академиком Сахаровым. Эта реакция была неуправляемой.

Многие годы физики пытаются научиться управлять термоядерными реакциями. Но сделать это сложно технически.

Прежде всего нужно получить высокую температуру порядка 108К.  Эту задачу смогли решить в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, создавая в плазме электрические разряды огромной мощности в установках «Токамак» (ТОриодальная КАмера с МАгнитными Катушками). Уже в 1969 г. удалось получить температуру порядка 3 M°C.

[attention type=yellow]

В 1983 г. в Европе была создана установка JET (Joint European Torus),в которой плазму удалось нагреть до 150 M°C. На данный момент это крупнейший в мире Токамак.

[/attention]

Но как удержать плазму внутри камеры? Ведь в природе не существует материалов, способных выдержать сверхвысокую температуру в миллионы градусов. Это удалось сделать, поместив камеру в тороидальное магнитное поле, где плазма в виде шара «повисает» на индукционных линиях магнитного поля, не касаясь при этом стенок камеры.

К сожалению, длительно удерживать плазму пока не научились. Но если учёным удастся сделать это, человечество сможет управлять термоядерной реакцией и получит практически неисчерпаемый источник энергии.

Ядерная реакция

Я́дерная реа́кция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссальной 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 10−13 см, т. е.

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} extrm{Cd} + n
ightarrow {}{114}_{48} extrm{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 сохраняющимся 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} extrm{Cd}(n, gamma) {}{114}_{48} extrm{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} extrm{N} (alpha, p) {}{17}_{8} extrm{O}, где p = {}{1}_{1} extrm{H} — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит, как

{}{14}_{7} extrm{N} + alpha
ightarrow p + {}{17}_{8} extrm{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.

[attention type=red]

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).

[/attention]

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 специальной единице — барнах, равных 10−24 см2.

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

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, даже эффективнее. В 1938 г. была впервые осуществлена реакция деления ядер урана нейтронами:

{}{235}_{92} extrm{U} + {}{1}_{0} extrm{n}
ightarrow {}{145}_{56} extrm{Ba}+ {}{88}_{36} extrm{Kr}+3{}{1}_{0} extrm{n}.

Для проведения данной реакции использовались изотопы урана (235). (Для проведения цепной реакции чистый изотп урана (238) непригоден). Рис??

• 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 1/30 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

Ядерные реакции

    Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции.

Рассмотрим сначала свойства нейтрона.     Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.

    В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была определена.

α + Be → нейтральное излучение (какое?, γ?).

В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.

α + Be →  парафин → p

    Регистрировались протоны отдачи с Ер = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием каких частиц они образовывались?
    Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Еγ должна была быть ~ 50 МэВ. γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.

    Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота.

Он сравнил эти результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов сохранения энергии

и импульса

m1v = m1v1 + mpvp;

где N − ядро азота; v1 − скорость нейтральной частицы после столкновения; m1 − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона

m1 ≈ mp.

Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:

α + 9Ве → 12С+ n.

Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Ер = 4.3 МэВ.

    Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:
    масса − mnc2 = 939.5 МэВ, mn = 1.008665 а. е. м.,
    магнитный момент − μn = −1.91μя,     спин − J = ћ/2,

    время жизни − τn = (10.61 ±0.16) мин,

    среднеквадратичный радиус − = (0.78 ± 0.18)·10-2 фм2.

    Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.

11.4 Источники нейтронов

    Источники нейтронов − это различные ядерные реакции.

Рис. 88: Спектр нейтронов.

    1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция

α + 9Ве → 12С+ n + 5.5 МэВ.

    Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру (рис. 88).

    При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они вступают в реакцию с 9Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода 12C образуется в основном и возбужденном состояниях.

    Выход нейтронов ~ 107 нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.

    2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.

γ + 2H → p + n, Q = -2.23 МэВ.

    Используется ThC» (208Tl). Он испускает γ-кванты с Еγ ~ 2.62 МэВ и Еn ~ Ер; Тn ~20 кэВ.

    3.  Фоторасщепление Be фотонами с энергией Еγ = 1.78 МэВ

γ + 9Ве → 8Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Тn ~ 100 кэВ.

    4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с Ed = 16 МэВ в реакции

2H + 9Be → 10B + n + 4.3 МэВ.

    Еn = 4 МэВ, выход 106 нейтронов в секунду.

    5.  Реакция 2H + 2H → 3Не + n + 3.2 МэВ,
    D + D (лед из тяжелой воды), i?n = 2.5 МэВ.

    6.  Облучение дейтонами трития

2H + 3H → 4Не + n + 17.6 МэВ.

[attention type=green]

    Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии Ed = 0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Еn ~ 14 МэВ.
    Этот источник нейтронов используется в геологии.

[/attention]

    7.  В реакциях срыва под действием дейтонов с Ed ~ 200 МэВ на тяжелых ядрах образуются n с
Еn ~ 100 МэВ.

11.5 Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция

    Самый мощный источник нейтронов − ядерные реакторы − устройства, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления.
    В  реакторе происходит деление ядер U и образуются нейтроны с Еn от 0 до 13 МэВ, интенсивность источника 1019 нейтронов/с см2.

Процесс деления идет под действием нейтронов, беспрепятственно проникающих в ядра из-за отсутствия кулоновского потенциального барьера.

    При делении ядра образуются радиоактивные осколки и испускается 2-3 n, которые снова вступают в реакцию с ядрами U; идет цепной процесс (рис. 89).

n + 235U → 236U → 139La + 95Мо + 2n

Рис. 89: Иллюстрация деления ядра 235U.

    Для описания процесса деления 235U используется модель жидкой капли, в которой работает формула Вайцзеккера. После попадания нейтрона в ядро урана происходит конкуренция между поверхностной энергией нового ядра и энергией кулоновского расталкивания. В итоге под действием кулоновских сил ядро делится на два более легких ядра.
    Энергия Q, освобождающаяся при делении ядра (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

вычисляется с использованием формулы Вайцзеккера

Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 21/3)·асим·A2/3 + (1 − 22/3)·акул·Z2·A-1/3;

Q (МэВ) = -4.5A2/3 + 0.26·Z2A-1/3, ε −  удельная энергия связи: Есв/А. Для ядра 235U Q = 180 МэВ.

Рис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E0 − основное состояние, E0 + Еа − возбужденное состояние, Еа − энергия активации.

    Для того, чтобы ядро разделилось, в него должна быть внесена энергия Е > Еа, где ЕаРис.

90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E0 − основное состояние, E0 + Еа − возбужденное состояние, Еа − энергия активации (рис. 90).

    Мерой способности ядер к делению служит отношение энергии кулоновского отталкивания протонов к энергии поверхностного натяжения:

где Z2/A − параметр деления, чем он больше, тем легче ядро делится; Z2/A = 49 критическое значение параметра деления.     Иллюстрация процесса деления ядра приведена на рис. 91.

    В ядерном реакторе процесс деления ядер многократно повторяется в результате образования многих поколений деления.

В 1-м акте деления 235U возникает в среднем 2.4 нейтрона. Время жизни одного поколения ~ 10 с. Если происходит рождение K поколений, то образуется ~ 2K нейтронов через время ~ 2·10-6 с. Если K = 80, число нейтронов будет 280 ~ 1024 − это приведет к делению 1024 атомов (140 г урана).

Выделяющаяся при этом энергия 3·1013 вт равна энергии, образующейся при сжигании 1000 тонн нефти.

Рис. 91: Процесс деления ядра, протекающий в ядерном реакторе.

    В реакциях деления энергия выделяется в виде тепла. Отвод тепла из реактора осуществляется теплоносителем, к которому предъявляются особые требования. Он должен обладать большой теплоемкостью, слабо поглощать нейтроны и иметь низкую химическую активность. Не будем обсуждать конструктивные особенности элементов ядерного реактора.

Заметим только, что при попадании тепловых нейтронов на ядро 235U образуются быстрые нейтроны, а реакция идет только на медленных нейтронах. Следовательно, необходимо замедлить быстрые нейтроны. Это происходит в замедлителе. В качестве замедлителя используется углерод или тяжелая вода.

[attention type=yellow]

Остановка процесса деления реализуется с помощью ядер кадмия, которые захватывают образующиеся нейтроны. Таким образом, в конструкцию ядерного реактора обязательно входит замедлитель нейтронов (углерод) и кадмиевые стержни, поглощающие образующиеся нейтроны.
    В реакторах используется природный уран 238U (99.3%) и обогащенный 235U (0.7%).

[/attention]

235U делится под действием тепловых нейтронов. 238U используется в реакторах на быстрых нейтронах.

    Процессы, происходящие в реакторе, характеризуются следующими вероятностями:     ν − количество образованных быстрых нейтронов;     ε − коэффициент размножения быстрых нейтронов;     Р − вероятность нейтрону дойти до тепловой энергии;     ƒ − вероятность захвата нейтрона в процессе замедления;

    σt/σtot − вероятность вызвать реакцию деления.

https://www.youtube.com/watch?v=fvIkCVWLDVk

Произведение этих вероятностей дает оценку коэффициента размножения k тепловых нейтронов в ядерном реакторе:

    Цепная реакция идет, если k > 1; входящие в коэффициент размножения величины имеют следующие значения: ν = 2.47; ε = 1.02; Р = 0.89; ƒ = 0.88; σt/σtot = 0.54.
    Таким образом, k∞ = 1.07 для реактора бесконечных размеров. В реальных условиях кэф < k∞, т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
    В реакторах на быстрых нейтронах (239Ри и 238U) происходит следующий процесс:

    В результате этой реакции воспроизводится 239Рu. Образовавшийся плутоний вступает в реакцию с нейтроном: n + 239Рu, образуется ν = 2.41 нейтронов.
    Число ядер 239Ри удваивается через каждые 7-10 лет.
    Реакция деления атомных ядер используется для получения атомной энергии. Ядерные реакторы работают на многих атомных электростанциях.

11.6 Реакции слияния, синтез легких ядер

    Другим источником атомной энергии может служить синтез легких атомных ядер. Легкие ядра связаны менее прочно, и при их слиянии в тяжелое ядро выделяется больше энергии.

Кроме того, термоядерные реакции чище из-за отсутствия сопровождающих их радиоактивных излучений, чем цепные реакции деления.

    Для получения термоядерной энергии могут быть использованы следующие реакции синтеза:

d + d = 3He + n + 4 МэВ, d + d = t + р + 3.25 МэВ,

d + t = 4Не + n + 17.б МэВ,

3Не + d = 4Нe + р + 18.3 МэВ,
6Li + 2di = 2 4Не + 22.4 МэВ. J

Рис. 92: Зависимость эффективного сечения слияния ядер от их кинетической энергии. σƒ − сечение реакции.

    Энергия ядер, вступающих в реакцию, должна быть достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. На рис. 92 показана энергетическая зависимость сечений некоторых реакций. Как видно из рисунка, синтез ядер дейтерия d и трития t является наиболее предпочтительным.

В этой реакции синтеза низок кулоновский потенциальный барьер и велико сечение взаимодействия при малых энергиях сливающихся ядер. Для протекания реакции необходимо иметь достаточную концентрацию этих ядер в единице объема и достаточную температуру разогретой плазмы.

    Число актов слияния Rab в единицу времени в единице объема определяется соотношением

Rab = na·nb·wab(T).
wab(T) = σab·vab,

где na, nb − число ядер a, b; σab − эффективное сечение реакции, vab − относительная скорость частиц в плазме, Т − температура. В результате реакции освобождается энергия

W = Rab·Qab·τ,

где Rab − число актов слияния, Qab − энергия, выделившаяся в 1 акте, τ − время.
    Пусть na = nb = 1015 ядер/см3, Т = 100 кэВ. Тогда W ~ 103 вт/см3 с.

    В самоподдерживающейся термоядерной реакции должно выделяться больше энергии, чем идет на нагрев и удержание плазмы.

Затраты на нагрев na = nb = 2n частиц до температуры Т: 3n·kТ: k − постоянная Больцмана. Таким образом, надо удовлетворить условию:

n2·wab·Qab·τ > 3nkТ

(высвобождающаяся энергия > энергии нагрева).
    Лоусон сформулировал следующее условие для реакции слияния d + t:

nτ > 1014 с·см-3,

где nτ − параметр удержания. На рис. 93 показана зависимость этого параметра от температуры. Реакция идет, если nτ > ƒ(T). Температура Т ~ 2·108 K соответствует энергии 10 кэВ. Минимальное значение параметра удержания nτ = 1014 с/см3 для реакции d + t достигается при температуре 2·108 K.

Рис. 93: Зависимость параметров удержания от температуры. Заштрихованная область ƒ(Т) − зона управляемого термоядерного синтеза для реакции d + t. • − значения параметров, достигнутые на различных установках к 1980 году.

    Для других реакций:

[attention type=red]

    Удержание плазмы, имеющей необходимые условия для протекания реакции, реализуется в установках типа Токамак с помощью магнитного поля. Такие установки работают в России и в ряде других стран. Как видно из рис.

[/attention]

93, режим управляемого термоядерного синтеза пока не достигнут.     Делаются попытки получить необходимые для термоядерного синтеза условия с помощью лазерных установок.

В этом случае небольшой объем, в котором заключены ядра дейтерия и трития, обжимается со всех сторон лазерным излучением. При этом ядра дейтерия и трития нагреваются до нужной температуры. Лазерный термояд требует введения коэффициента 100, т.к.

велика бесполезная энергия, идущая на накачку лазера.

    Попытки осуществить управляемый термоядерный синтез в лабораторных условиях наталкиваются на ряд трудностей.

1. 1.  До сих пор не удается получить устойчивый режим высокотемпературной плазмы.
2. 2.  Велики энергетические потери в плазме даже из-за малых концентраций примесей атомов с большими Z.
3. 3.  Не решена «проблема первой стенки» в Токамаке, ограничивающей плазму реактора (поток нейтронов ее разрушает).
4. 4.  В природе отсутствует радиоактивный тритий t с периодом полураспада Т1/2 = 12.5 лет, поэтому существует проблема воспроизводства трития в реакции

n + 7Li = α + t + n.

    До сих пор не удалось преодолеть эти трудности и получить управляемую термоядерную реакцию синтеза.
    В естественных условиях реакции термоядерного синтеза протекают на Солнце и в звездах.

Литература

1. 1.  Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.
2. 2.  Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. -М.: УППС, 2002.

Ядерные реакции: просто и понятно

Что такое ядерные реакции

Немного истории ядерных реакций

Какие ядерные реакции есть в физике

Деление атомных ядер

Термоядерные реакции

Ядерные реакции, видео

Расщепление ядра атома и способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

Что такое ядерные реакции

Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

Немного истории ядерных реакций

Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми.

В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных.

Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

Типичная формула ядерной реакции.

Какие ядерные реакции есть в физике

В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

• деление атомных ядер
• термоядерные реакции

Ниже детально напишем о каждой из них.

Деление атомных ядер

Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф.

Штрассманом было открыто деления ядер атома урана, продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.

Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ.

[attention type=green]

Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее.

[/attention]

В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

Вот так она выглядит на схеме.

При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

Термоядерные реакции

В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах.

Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах.

Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

Ядерные реакции, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.

Количественное описание реакций

Количественное описание ядерных реакций с точки зрения квантовой-механики возможно только статистическим способом, т.е. можно говорить о некоторой вероятности различных процессов, которые характеризуют ядерную реакцию.

Таким образом, реакция $a+A o b+B$, в начальном и конечном состоянии которой есть по две частицы, в этом понимании полностью характеризуется дифференциальным эффективным сечением рассеивания $dsigma /dOmega $ внутри телесного кута $dOmega {
m =}{sin heta } heta dvarphi $, где $ heta $ и $varphi $ — полярный и азимутальный углы вылета одной с частиц, при этом угол $ heta $ исчисляется от начала движения бомбардирующей частицы. Зависимость дифференциального сечения от углов $ heta $и $varphi $ называется угловым распределениям частиц, которые образуют реакцию. Полным или интегральным сечением, которым характеризуется интенсивность реакции, называется дифференциальное эффективное сечение, проинтегрированное по всем значением углов $ heta $ и $varphi $:

Эффективное сечение можно интерпретировать как площадку, попадая в пределы которой налетающая частица вызовет данную ядерную реакцию. Эффективное сечение ядерной реакции измеряется в барнах $1 б={10}{-28} м2$.

[attention type=yellow]

Ядерные реакции характеризуются выходом реакции. Выходом ядерной реакции $W$ называется доля частиц пучка, которые получили ядерное взаимодействие с частицами мишени. Если $S$ — площадь сечения пучка.

[/attention]

, $I$ — плотность потока пучка, то на такую же площадь мишени каждую секунду попадает $N=IS$ частиц.

С них в одну секунду в среднем реагирует $ riangle N=ISsigma n$ частиц, где $sigma $ — эффективное сечение реакции частиц пучка, $n$ — концентрация ядер у мишени. Тогда:

Различные классификации ядерных реакций

Ядерные реакции можно классифицировать за следующими признаками:

• за природою частиц, которые участвуют в реакции;
• за массовым числом ядер, которые участвуют в реакции;
• за энергетическим (тепловым) эффектом;
• за характером ядерных преобразований.

За значением энергии $E$ частиц, что вызывают реакции, различают такие реакции:

• при малых энергиях ($Ele 1 кэВ$);
• при низких энергиях ($1 кэВle Ele 1 МэВ$);
• при средних энергиях ($1 МэВle Ele 100 МэВ$);
• при значимых энергиях ($100 МэВle Ele 1 ГэВ)$;
• при высоких энергиях ($1 ГэВle Ele 500 ГэВ$);
• при сверхвысоких энергиях ($E>500 ГэВ$).

В зависимости от энергии частицы $a$ для одних и тех же ядер $A$ происходят разные преобразования в ядерных реакциях. Для примеру рассмотрим реакцию бомбардировки изотопа фтора нейтронами разных энергий:

Рисунок 1.

В зависимости от природы частиц, которые берут участие в ядерных реакциях, их делят на следующие виды:

• под действием нейтронов;
• под действием фотонов;
• под действием заряженных частиц.

За массовым числом ядер, ядерные реакции делят на следующие виды:

• на легких ядрах ($A
• на средних ядрах ($50
• на массивных ядрах ($A >100$).

За характером преобразований, что происходят в ядре, реакции разделяют на:

• радиационный захват;
• кулоновское возбуждение;
• деление ядер;
• реакция взрыва;
• ядерный фотоэффект.

При рассмотрении ядерных реакций используют следующие законы:

• закон сохранения энергии;
• закон сохранения импульса;
• закон сохранения электрического заряда;
• закон сохранения барионного заряда;
• закон сохранения лептонного заряда.

Замечание 1

Законы сохранения дают возможность предугадать, какие с мысленно возможных реакций могут быть реализованными, а какие нет в связи с невыполнением одного или нескольких законов сохранения. В этом соотношении законы сохранения играют особенно важную роль для ядерных реакций.

Ядерная реакция характеризируется энергией ядерной реакции $Q$. Если реакция протекает с выделением энергии $Q >0$, то реакция называется экзотермической; если реакция проходит с поглощением тепла $Q