На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:
Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.
Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.
Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).
Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:
Ядро атома азота взаимодействовало с a -частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.
По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.
Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.
Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.
Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой . Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).
Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.
Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.
Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.
1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.
Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)
Например:
2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):
Например:
(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.
Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:
Например:
К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:
р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)
- 3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
- 4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).
Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.
Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).
Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):
В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:
По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.
Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-
Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):
- 93-7,. I 92 7_ I 1
- 40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.
Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:
Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:
При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.
Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):
при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.
При низких (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции
на легких ядрах ( ядра мишени А < 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Я
дерная может произойти, если две участвующие
в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10 -13
см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод.
между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной частицы
- и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению
частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая
частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота
этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени.
Для ядер, отвечающих со ср. значениями , и бомбардирующих
частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если
в ядерной участвуют частицы, не обладающие зарядом (), кулоновский
потенциальный барьер отсутствует, и ядерные могут протекать с участием частиц,
имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям
).
Обсуждается возможность протекания ядерных не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за
счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые
с диаметром ядра), находящихся в твердой или на пов-сти (напр., с участием ядер , растворенного в );
пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных ("холодного термоядерного
синтеза") нет.
Я
дерные подчиняются тем же общим законам
природы, что и обычные хим. р-ции ( и энергии, сохранения
заряда, импульса). Кроме того, при протекании ядерных действуют и нек-рые
специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения
барионного заряда (барионы - тяжелые ).
Записывать ядерные можно так, как это показано
на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени
ядрами :
Из этой записи видно, что суммы зарядов
слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы (242 + 22 = 259 +
5)
равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его
ат. номер (заряд ядра), то при записи ядерных значения заряда частиц обычно
не указывают. Чаще ядерные записывают короче. Так, ядерную образования
14 С при облучении ядер 14 N записывают
след. образом: 14 N(n, р) 14 С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую
частицу иликвант,
затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант.
В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d,
р), (п, 2п)и др. ядерные
.
При столкновении одних и тех же частиц
ядерные могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени
могут протекать след. ядерные : 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
и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом ядерной , а
частицы, рождающиеся в результате ядерной , образуют выходной канал.
Я
дерные могут протекать с выделением и поглощением
энергии Q. Если в общем виде записать ядерную как А(a,
b)В,
то
для такой ядерной энергия равна: Q = [(М А + М а)
- (М в + М b)] x с 2 ,
где М -массы участвующих в ядерной частиц; с - скорость света.
На практике удобнее пользоваться значениями дельтаМ
(см. ), тогда выражение для вычисления
Q имеет
вид:
причем из соображения удобства
обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ
= 1,492443 х 10 -7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается
ядерная , может в 10 6 раз и более превышать энергию, выделяющуюся
или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при ядерной становится заметным
изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия
равна разности сумм масс частиц до и после ядерной . Возможность выделения
огромных кол-в энергии при осуществлении ядерных лежит в основе ядерной
(см. ). Исследование соотношений между энергиями
частиц, участвующих в ядерных , а также соотношений между углами, под к-рыми
происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики
- кинематику ядерных р-ций.
Выходы ядерных , т. е. отношение числа ядерных к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см 2) мишени, обычно не превышают 10 -6 -10 -3 . Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см 2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см 2 мишени, а также значению эффективного сечения ядерной . Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных под действием не более неск. мг , содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной ядерной , значительно меньше.
Бомбардирующие частицы.
Для осуществления
ядерных используют n, р, дейтроны d, тритоны
t,
частицы, тяжелые (12 С, 22 Ne, 40 Аr
и др.), е икванты.
Источниками (см. )при проведении
ядерных служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя,
напр. 226 Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы,
ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев
ядерных выше для с малыми энергиями (тепловые ), то перед
тем, как направить поток на мишень, их обычно замедляют, используя
, и др. материалы. В случае медленных осн. процесс
почти для всех ядер - радиационный захват - ядерная типа
т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету ичастиц.
Под действием протекают цепные р-ции .
В случае использования в качестве бомбардирующих
частиц , дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую
частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя
разл. ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла
преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро.
При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия
связи и в дейтроне относительно мала, и соотв., велико
расстояние между и .
При использовании в качестве бомбардирующих
частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон -
или , второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в
том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения
могут достигаться при проведении ядерных между дейтронами и легкими ядрами
при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому
ядерные с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании
ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих
ядер до т-ры ок. 10 7 К. Такие ядерные называют термоядерными.
В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные
р-ции с участием ,
На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов - точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно - но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.
Общее понятие о ядерных реакциях
Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:
- превращение одного химического элемента в другой;
- синтез, то есть слияние ядер, при котором образуется ядро более тяжелого элемента.
Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы - это возможные пути, по которым реакция будет протекать.
Правила записи ядерных реакций
В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.
Первый способ - тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой - продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:
9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.
Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние - количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.
Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:
9 4 Be (α, n) 12 6 C.
Общий вид такой записи: A (a, b 1 b 2 …) B. Здесь A - ядро-мишень; a - налетающая частица или ядро; b 1 , b 2 и так далее - легкие продукты реакции; B - конечное ядро.
Энергетика ядерных реакций
В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.
Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.
В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы - разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = E св /c 2 . Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zm p + Am n - М я, где Z - заряд ядра, A - массовое число, m p - масса протона (1,00728 а.е.м.), m n - масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), M я - масса ядра.
При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc 2 /A).
Энергия связи и стабильность ядер
Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.
Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же - напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.
Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.
Реакции распада
Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.
Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число - на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:
226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).
Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.
Бета-распад, обусловленный происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:
18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .
Энергия бета-распада фтора-18 - около 0,63 МэВ.
Деление ядер
Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко - три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.
Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:
235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.
Расщепление на барий-144 и криптон-89 - лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, где 236 92 U* - сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра - примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 10 4 мегаджоулей.
Цепные реакции
Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью - наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.
Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = N i /N i -1 (здесь N - количество частиц, i - порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа - взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.
Ядерный синтез
Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер - так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.
Пример ядерной реакции синтеза - образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.
Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ - ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) - с другой.
В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия - самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.
Примеры решения задач
Рассмотрим реакцию деления 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:
Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + …) ∙ c 2 .
Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:
Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.
Еще один пример - на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла - главного источника солнечной энергии.
3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.
Применим ту же формулу:
Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.
Основная доля этой энергии - 12,8 МэВ - приходится в данном случае на гамма-фотон.
Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.
>> Ядерные реакции
§ 106 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.
Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. С примерами ядерных реакций вы уже ознакомились в § 103. Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия - дейтронам, -частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.
Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых , с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 10 5 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют а-частицы (максимально 9 МэВ). Во-вторых , можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда -частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих , можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.
Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две -частицы:
