Nuklearna reakcija. Nuklearna lančana reakcija

Na časovima hemije upoznali ste se sa hemijskim reakcijama koje dovode do transformacije molekula. Međutim, atomi na hemijske reakcije ne mijenjaj. Razmotrimo sada tzv nuklearne reakcije, koje dovode do transformacije atoma. Hajde da uvedemo notaciju:

Ovde je X simbol hemijskog elementa (kao u periodičnoj tabeli), Z je broj naelektrisanja jezgra izotopa, A je maseni broj jezgra izotopa.

Broj naboja jezgra je broj protona u jezgru, jednak broju elementa u periodnom sistemu. Maseni broj jezgra je broj nukleona (protona i neutrona) koji ulaze u jezgro. Brojevi naboja i mase - fizičke veličine, koji se ne poklapaju sa nabojem i masom jezgra.

Na primjer, simbol znači da jezgro ovog atoma ugljika ima naboj 6 i maseni broj 12. Postoje i drugi izotopi ugljenik, na primjer. Jezgra takvog izotopa sadrži jedan neutron više za isti broj protona (uporedite slike).

Rutherfordova prva laboratorijska nuklearna reakcija odvijala se na sljedeći način:

Jezgro atoma dušika stupilo je u interakciju s a-česticom (jezgrom atoma helijuma). U ovom slučaju je dobiveno jezgro fluora - nestabilan međuprodukt reakcije. A onda su se iz njega formirale jezgre kiseonika i vodonika, odnosno dogodilo se transformacija jednog hemijskog elementa u drugi.

Kao rezultat ovoga nuklearna reakcija Napravimo sljedeću tabelu.

Iz poređenja ćelija u tabeli može se vidjeti da su zbroji masenih brojeva, kao i zbroji brojeva naboja prije i nakon nuklearne reakcije, u paru jednaki. Eksperimenti to pokazuju za sve nuklearne reakcije, zakon održanja naboja i masenih brojeva: zbroji naboja i masenih brojeva čestica prije i nakon nuklearne reakcije su u paru jednaki.

Većina nuklearnih reakcija završava nakon formiranja novih jezgara. Međutim, postoje reakcije čiji proizvodi izazivaju nove nuklearne reakcije, tzv lančane nuklearne reakcije. Primjer je reakcija fisije jezgri uranijuma-235 (vidi sliku). Kada neutron uđe u jezgro uranijuma, on se raspada na dva druga jezgra i 2-3 nova neutrona. Ovi neutroni pogađaju druga jezgra urana i lančana reakcija se nastavlja. Ova situacija je idealna. U stvari, mnogi proizvedeni neutroni izlaze iz materije, tako da ih uranijum ne može apsorbovati.

Međutim, kada visok stepenčistoća uranijuma, odnosno sa velikim masenim udjelom, kao i kompaktnim smještajem, povećava se vjerovatnoća hvatanja neutrona od susjednog jezgra. Minimalna težina radioaktivna supstanca u kojoj dolazi do lančane reakcije naziva se kritična masa. Za čisti uranijum-235 to je nekoliko desetina kilograma. Nekontrolisana lančana reakcija odvija se vrlo brzo, što predstavlja eksploziju. Za njegovu primjenu u miroljubive svrhe potrebno je reakciju učiniti kontroliranom, što se postiže u posebnom uređaju - nuklearni reaktor(vidi § 15-i).

Nuklearne reakcije su vrlo česte u prirodi. Na primjer, više od polovine elemenata periodnog sistema ima radioaktivnih izotopa.

Otkriće neutrona i njegovih svojstava

Nuklearne reakcije pod dejstvom neutrona traju posebno mjesto u nuklearnoj fizici. Zbog činjenice da neutron nema električni naboj, on slobodno prodire u bilo koju atomsku jezgru i izaziva nuklearne reakcije. Razmotrimo prvo svojstva neutrona.
Neutron je otkriven nakon Rutherfordovog predviđanja 1920. godine.
U eksperimentima Bethea i Beckera (1930) jezgra berilijuma su ozračena α-česticama i registrovano je neutralno zračenje čija priroda nije utvrđena.

α + Be → neutralno zračenje (šta?, γ?).

U eksperimentima Joliot-Curiea (1932), α-čestice su usmjeravale na berilijsku metu, a zatim na parafinsku, kako bi se utvrdila priroda neutralnog zračenja. Oslobađanje protona je uočeno nakon parafinske mete. Shema iskustva je prikazana u nastavku.

α + Be → parafin → str

Registrovani su protoni trzanja sa E r = 4,3 MeV. Postavilo se pitanje: pod djelovanjem kojih čestica su nastali?
Ako su uzrokovani γ-kvantima, tada je energija γ-kvanta E γ trebala biti ~ 50 MeV. γ-kvanti sa takvom energijom se nisu mogli pojaviti iz ove reakcije.
Chadwick je analizirao ove eksperimente i predložio da kao rezultat reakcije izlete neutralne čestice s masom usporedivom s masom protona. Zatim je postavio eksperiment u komori za oblake i posmatrao jezgra trzanja dušika. On je ove rezultate uporedio sa rezultatima Joliot-Curie eksperimenta, u kojima su registrovani protoni trzanja iz parafina, i odredio masu ove neutralne čestice iz zakona održanja energije

i zamah

m 1 v = m 1 v 1 + m p v p ;

gdje je N jezgro dušika; v 1 je brzina neutralne čestice nakon sudara; m 1 je masa neutralne čestice. Ispostavilo se da je blizu masi protona

Tako je postalo jasno da se u eksperimentima Joliot-Curie dogodila reakcija u kojoj su emitirane neutralne čestice, neutroni:

α + 9 Be → 12 C+ n.

Kada su udarili u parafin, izbacili su povratne protone sa energijom Er = 4,3 MeV.

Svojstva neutrona, dobijena iz brojnih eksperimenata, prikazana su u nastavku:
masa − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a.u. jesti.,
magnetni moment - μ n = -1,91μ i,
spin − J = ć/2,
vijek trajanja − τ n = (10,61 ±0,16) min,
r.m.s. radijus − = (0,78 ± 0,18) 10 -2 fm 2 .

Nuklearne reakcije ne samo da daju nove informacije o prirodi i svojstvima nuklearnih sila, već se također koriste u praksi u nacionalne ekonomije i u vojnim poslovima. To se prvenstveno odnosi na nuklearne reakcije pod djelovanjem neutrona pri niskim energijama.

11.4 Izvori neutrona

Izvori neutrona su različite nuklearne reakcije.

Rice. 88: Neutronski spektar.

1. Koristi se mješavina radijuma s berilijumom (ponekad polonijum sa berilijumom), gdje se reakcija odvija

α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.

Kinetička energija neutrona T je raspoređena po spektru
(Sl. 88).
Raspad Ra proizvodi α-čestice sa energijama od 4,8 MeV i 7,7 MeV. Reaguju sa 9 Be i stvaraju neutronski tok. Rasprostranjenost energije neutrona je zbog činjenice da α-čestice različitih energija stvaraju neutrone različitih energija. Jezgro ugljika 12 C nastaje u osnovnom i pobuđenom stanju.
Prinos neutrona je ~ 10 7 neutrona po 1 g Ra u sekundi. Istovremeno se emituju γ-zraci.

2. Drugi izvori neutrona su fotonuklearne reakcije (γ,n), koje proizvode spore i monohromatske neutrone.

γ + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.

Koristi se ThC" (208 Tl). Emituje γ-kvante sa E γ ~ 2,62 MeV i E n ~ E p; T n ~20 keV.

3. Fotodezintegracija Be fotonima sa energijom E γ = 1,78 MeV

γ + 9 Be → 8 Be + n, Q = -1,65 MeV; T n ~ 100 keV.

4. Emisija neutrona pod dejstvom ubrzanih deuterona sa E d = 16 MeV u reakciji

2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.

E n = 4 MeV, izlaz 10 6 neutrona u sekundi.

5. Reakcija 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (led iz teške vode), i?n = 2,5 MeV.

6. Zračenje tricijum deuteronima

2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.

Budući da je ova reakcija egzotermna, deuteroni se ubrzavaju do energije E d = 0,3 MeV u cijevima s plinskim pražnjenjem. Nastaju monohromatski neutroni sa E n ~ 14 MeV.
Ovaj izvor neutrona se koristi u geologiji.

7. U reakcijama skidanja pod dejstvom deuterona sa E d ~ 200 MeV, n c
E n ~ 100 MeV.

11.5 Nuklearni reaktori, nuklearna lančana reakcija

Najmoćniji izvor neutrona su nuklearni reaktori, uređaji u kojima se održava kontrolirana lančana reakcija fisije.
U reaktoru dolazi do fisije jezgara U i formiraju se neutroni sa E n od 0 do 13 MeV, intenzitet izvora je 10 19 neutrona/s cm2. Proces fisije odvija se pod uticajem neutrona, koji slobodno prodiru u jezgra zbog odsustva Kulonove potencijalne barijere.
Prilikom nuklearne fisije nastaju radioaktivni fragmenti i emituju se 2-3 n, koji ponovo reaguju sa jezgrima U; postoji lančani proces (Sl. 89).

n + 235 U → 236 U → 139 La + 95 Mo + 2n

Rice. 89: Ilustracija nuklearne fisije 235U.

Da bi se opisao proces fisije 235 U, koristi se model kaplje tekućine, u kojem funkcionira Weizsäckerova formula. Nakon što neutron udari u jezgro uranijuma, postoji konkurencija između površinske energije novog jezgra i Kulonove energije odbijanja. Kao rezultat toga, pod djelovanjem Kulonovih sila, jezgro se dijeli na dva lakša jezgra.
Energija Q oslobođena tokom nuklearne fisije (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

izračunato pomoću Weizsäckerove formule

Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2 1/3) sim A 2/3 + (1 − 2 2/3) hladan Z 2 A -1 /3 ;

Q (MeV) \u003d -4,5A 2/3 + 0,26 Z 2 A -1/3, ε - specifična energija vezivanja: E St / A. Za jezgro 235 U Q = 180 MeV.

Da bi se jezgro podijelilo, u njega se mora unijeti energija E > E a, pri čemu je E a 90: Potencijalna energija jezgro u zavisnosti od udaljenosti do centra jezgra (puna kriva), E 0 je osnovno stanje, E 0 + E a je pobuđeno stanje, E a je energija aktivacije
(Sl. 90).
Mjera sposobnosti jezgara za fisiju je omjer energije Kulonove odbijanja protona i energije površinske napetosti:

gdje je Z 2 /A parametar fisije, što je veći, jezgro se lakše dijeli; Z 2 /A = 49 kritična vrijednost parametra podjele.
Ilustracija procesa nuklearne fisije prikazana je na sl. 91.
U nuklearnom reaktoru, proces nuklearne fisije se ponavlja mnogo puta kao rezultat formiranja mnogih generacija fisije. U prvom događaju fisije od 235 U, u prosjeku se proizvodi 2,4 neutrona. Životni vijek jedne generacije je ~ 10 s. Ako postoji rađanje K generacija, tada se ~ 2 K neutrona formiraju nakon vremena od ~ 2·10 -6 s. Ako je K = 80, broj neutrona će biti 2 80 ~ 10 24 - to će rezultirati fisijom 10 24 atoma (140 g uranijuma). Oslobođena energija u ovom slučaju, 3·10 13 W, jednaka je energiji proizvedenoj sagorevanjem 1000 tona nafte.

Rice. 91: Proces nuklearne fisije koji se odvija u nuklearnom reaktoru.

U reakcijama fisije energija se oslobađa u obliku topline. Uklanjanje toplote iz reaktora vrši se rashladnom tečnošću za koju se postavljaju posebni zahtevi. Trebao bi imati visok toplinski kapacitet, slabo apsorbirati neutrone i imati nisku kemijsku aktivnost. Nećemo raspravljati karakteristike dizajna elementi nuklearnog reaktora. Napominjemo samo da kada toplinski neutroni udare u jezgro 235 U, nastaju brzi neutroni, a reakcija se odvija samo na sporim neutronima. Stoga je potrebno usporiti brze neutrone. Ovo se dešava u moderatoru. Ugljik ili teška voda se koristi kao moderator. Zaustavljanje procesa fisije provodi se uz pomoć jezgara kadmija, koje hvataju nastale neutrone. Dakle, dizajn nuklearnog reaktora nužno uključuje moderator neutrona (ugljik) i kadmijske šipke koje apsorbiraju generirane neutrone.
Reaktori koriste prirodni uranijum 238U (99,3%) i obogaćeni 235U (0,7%). 235 U se dijeli pod djelovanjem toplinskih neutrona. 238 U se koristi u reaktorima na brzim neutronima.
Procese koji se odvijaju u reaktoru karakteriziraju sljedeće vjerovatnoće:
ν je broj generiranih brzih neutrona;
ε je faktor umnožavanja brzih neutrona;
P je vjerovatnoća da neutron dostigne toplinsku energiju;
ƒ je vjerovatnoća hvatanja neutrona tokom usporavanja;
σ t /σ tot je vjerovatnoća pokretanja reakcije fisije.

Proizvod ovih vjerovatnoća daje procjenu faktora množenja k toplinskih neutrona u nuklearnom reaktoru:

Lančana reakcija se nastavlja ako je k > 1; veličine uključene u faktor množenja imaju sljedeće vrijednosti: ν = 2,47; ε = 1,02; P = 0,89; ƒ = 0,88; σt /σtot = 0,54.
Dakle, k ∞ = 1,07 za reaktor beskonačnih dimenzija. U realnim uslovima do eff< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
U reaktorima na brzim neutronima (239 Pu i 238 U) odvija se sljedeći proces:

Kao rezultat ove reakcije, 239 Pu se reprodukuje. Nastali plutonijum reaguje sa neutronom: nastaje n + 239 Pu, ν = 2,41 neutrona.
Broj od 239 Ri jezgara se udvostručuje svakih 7-10 godina.
Reakcija fisije atomskih jezgara koristi se za proizvodnju atomske energije. Nuklearni reaktori rade u mnogim nuklearnim elektranama.

11.6 Reakcije fuzije, sinteza lakih jezgara

Drugi izvor atomske energije može biti sinteza lakih atomskih jezgara. Laka jezgra su manje čvrsto vezana, a kada se spoje u teško jezgro, oslobađa se više energije. Osim toga, termonuklearne reakcije su čistije zbog nedostatka popratnih radioaktivne emisije nego lančane reakcije fisije.
Za dobivanje termonuklearne energije mogu se koristiti sljedeće reakcije fuzije:

d + d = 3 He + n + 4 MeV,
d + d = t + p + 3,25 MeV,
d + t = 4 He + n + 17.b MeV,
3 He + d = 4 He + p + 18,3 MeV,
6 Li + 2di = 2 4 He + 22,4 MeV. J

Energija jezgara koja ulazi u reakciju mora biti dovoljna da prevlada Kulonovu potencijalnu barijeru. Na sl. 92 prikazuje energetsku zavisnost poprečnih presjeka nekih reakcija. Kao što se može vidjeti sa slike, sinteza jezgara deuterija d i tricijuma t je najpoželjnija. U ovoj reakciji fuzije, Kulonova potencijalna barijera je niska, a poprečni presjek interakcije je velik pri niskim energijama jezgara koje se spajaju. Da bi se reakcija odvijala potrebno je imati dovoljnu koncentraciju ovih jezgara po jedinici volumena i dovoljnu temperaturu zagrijane plazme.
Broj događaja spajanja R ab po jedinici vremena po jedinici volumena određen je relacijom

R ab = n a n b w ab (T).
w ab (T) = σ ab v ab ,

gdje je n a , n b broj jezgara a, b; σ ab je efektivni poprečni presjek reakcije, v ab je relativna brzina čestica u plazmi, T je temperatura. Kao rezultat reakcije oslobađa se energija

W = Rab Qab τ,

gdje je R ab broj događaja spajanja, Q ab je energija oslobođena u 1 događaju, τ je vrijeme.
Neka je n a = n b = 10 15 jezgara / cm 3, T = 100 keV. Tada je W ~ 10 3 W/cm 3 s.
U samoodrživoj termonuklearnoj reakciji mora se osloboditi više energije nego što se troši na zagrijavanje i zadržavanje plazme. Trošak zagrijavanja n a = n b = 2n čestica na temperaturu T: 3n·kT: k - Boltzmannova konstanta. Dakle, mora biti zadovoljen sljedeći uslov:

n 2 w ab Q ab τ > 3nkT

(oslobođena energija > energija grijanja).
Lawson je formulirao sljedeći uvjet za reakciju fuzije d + t:

nτ > 10 14 s cm -3 ,

gdje je nτ parametar zadržavanja. Na sl. 93 prikazuje ovisnost ovog parametra o temperaturi. Reakcija se nastavlja ako je nτ > ƒ(T). Temperatura T ~ 2·10 8 K odgovara energiji od 10 keV. Minimalna vrijednost parametra zadržavanja nτ = 10 14 s/cm 3 za reakciju d + t postiže se na temperaturi od 2 10 8 K.

Rice. 93: Ovisnost parametara držanja o temperaturi. Osjenčano područje ƒ(T) je zona kontrolirane termonuklearne fuzije za reakciju d + t. − Vrijednosti parametara postignute na različitim objektima do 1980. godine.

Za ostale reakcije:

Zatvaranje plazme koja ima neophodne uslove da bi se reakcija nastavila, implementira se u instalacijama tipa Tokamak pomoću magnetnog polja. Takve instalacije rade u Rusiji i nizu drugih zemalja. Kao što se može vidjeti sa sl. 93, režim kontrolisane termonuklearne fuzije još nije postignut.
Pokušavaju se postići uslovi neophodni za termonuklearnu fuziju korištenjem laserskih postrojenja. U ovom slučaju, mali volumen koji sadrži jezgre deuterijuma i tricijuma je komprimiran sa svih strana laserskim zračenjem. U tom slučaju se jezgra deuterijuma i tricijuma zagrijavaju na željenu temperaturu. Laserska fuzija zahtijeva uvođenje faktora 100, jer ima mnogo beskorisne energije koja će pumpati laser.
Pokušaji izvođenja kontrolirane termonuklearne fuzije u laboratorijskim uvjetima nailaze na niz poteškoća.

1. 1. Do sada nije bilo moguće dobiti stabilan režim visokotemperaturne plazme.
2. 2. Gubici energije u plazmi su visoki čak i zbog niske koncentracije nečistoća atoma sa velikim Z.
3. 3. "Problem prvog zida" u Tokamaku, koji ograničava reaktorsku plazmu, nije riješen (neutronski tok ga uništava).
4. 4. U prirodi ne postoji radioaktivni tricijum t sa vremenom poluraspada T 1/2 = 12,5 godina, pa postoji problem reprodukcije tricijuma u reakciji

n + 7 Li = α + t + n.

Do sada nije bilo moguće prevladati ove poteškoće i dobiti kontroliranu reakciju termonuklearne fuzije.
AT vivo Reakcije termonuklearne fuzije odvijaju se na suncu i u zvijezdama.

Književnost

1. 1. Širokov Yu.M., Yudin N.P. Nuklearna fizika. -M.: Nauka, 1972.
2. 2. Kapitonov I.M. Uvod u nuklearnu fiziku i fiziku čestica. -M.: UPPS, 2002.

Nuklearne reakcije su procesi koji se odvijaju prilikom sudara jezgara ili elementarne čestice s drugim jezgrama, uslijed čega se mijenja kvantno stanje i nukleonski sastav originalnog jezgra, a među produktima reakcije pojavljuju se nove čestice.

U ovom slučaju moguće su reakcije fisije, kada se jezgro jednog atoma kao rezultat bombardiranja (na primjer, neutronima) podijeli na dvije jezgre različitih atoma. Tokom reakcija fuzije laka jezgra se pretvaraju u teža.

Drugi istraživači su otkrili transformacije pod uticajem α-čestica jezgara fluora, natrijuma, aluminijuma itd., praćene emisijom protona. Jezgra teških elemenata nisu pretrpjela transformacije. Očigledno, njihov veliki električni naboj nije dozvolio α-čestici da se približi jezgru.

Nuklearna reakcija na brze protone.

Da bi došlo do nuklearne reakcije, čestice se moraju približiti jezgri, što je moguće za čestice s vrlo velikom energijom (posebno za pozitivno nabijene čestice koje se odbijaju od jezgre). Takva energija (do 10 5 MeV) prenosi se u akceleratorima nabijenih čestica protonima, deuteronima i drugim česticama. Ova metoda je mnogo efikasnija od upotrebe jezgri helijuma koje emituju radioaktivni element(čija je energija oko 9 MeV).

Prva nuklearna reakcija na brze protone izvedena je 1932. godine. Bilo je moguće podijeliti litij na dvije α-čestice:

Nuklearne reakcije na neutrone.

Otkriće neutrona bilo je prekretnica u proučavanju nuklearnih reakcija. Neutroni bez naboja slobodno prodiru u atomska jezgra i uzrokuju njihove promjene, na primjer:

Veliki italijanski fizičar Enriko Fermi otkrio je da su spori neutroni (oko 10 4 eV) efikasniji u reakcijama nuklearne transformacije od brzih neutropa (oko 10 5 eV). Stoga se brzi neutroni usporavaju u običnoj vodi koja sadrži veliki broj jezgri vodika - protona. Efekat usporavanja se objašnjava činjenicom da kada se loptice iste mase sudare, dolazi do najefikasnijeg prenosa energije.

Zakoni održanja naelektrisanja, masenog broja i energije.

Brojni eksperimenti na različitim vrstama nuklearnih interakcija pokazali su da je u svim slučajevima, bez izuzetka, očuvan ukupni električni naboj čestica koje učestvuju u interakciji. Drugim riječima, ukupni električni naboj čestica koje ulaze u nuklearnu reakciju jednak je ukupnom električnom naboju produkta reakcije (kao što bi i trebalo očekivati ​​prema zakonu održanja naboja za zatvorene sisteme). Osim toga, u nuklearnim reakcijama uobičajenog tipa (bez formiranja antičestica) opaža se očuvanje broja nuklearne mase (tj. ukupnog broja nukleona).

Gore navedeno potvrđuju sve gore navedene vrste reakcija (zbroji odgovarajućih koeficijenata na jezgri na lijevoj i desnoj strani jednadžbe reakcije su jednaki), vidi tabelu.

Oba zakona o očuvanju također se primjenjuju na nuklearne transformacije kao što su radioaktivni raspadi.

U skladu sa zakonom održanja energije, promjena kinetičke energije u procesu nuklearne reakcije jednaka je promjeni energije mirovanja jezgara i čestica koje sudjeluju u reakciji.

Energetski prinos reakcije je razlika između energija mirovanja jezgara i čestica prije i nakon reakcije. Prema onome što je ranije rečeno, energetski prinos nuklearne reakcije jednak je i promjeni kinetičke energije čestica koje učestvuju u reakciji.

Ako je kinetička energija jezgara i čestica nakon reakcije veća nego prije reakcije, tada govore o oslobađanju energije, u suprotnom - o njenoj apsorpciji. Potonji slučaj nastaje kada se dušik bombardira α-česticama, dio energije se pretvara u unutrašnju energiju novonastalih jezgara. Tijekom nuklearne reakcije, kinetička energija nastalih jezgri helija je 17,3 MeV veća od kinetičke energije protona koji je ušao u reakciju.

Teme USE kodifikatora: nuklearne reakcije, fisija i fuzija jezgri.

U prethodnom listu smo više puta govorili o cijepanju atomskog jezgra na njegove sastavne dijelove. Ali kako se to može postići u stvarnosti? Kao rezultat toga fizički procesi možeš li razbiti jezgro?

Posmatranja radioaktivnog raspada u promjenjivim uvjetima okoline - naime, pri različitim pritiscima i temperaturama, u električnim i magnetna polja- pokazalo da brzina radioaktivnog raspada ne zavisi od ovih uslova. Svi ovi faktori nisu u stanju da izazovu bilo kakvu transformaciju hemijskih elemenata jedan u drugi. Očigledno je da su energetske promjene ovdje premale da bi utjecale na atomsko jezgro - tako da vjetar koji duva preko kuće od cigle nije u stanju da je uništi.

Ali možeš uništiti kuću artiljerijske granate. I Rutherford je 1919. odlučio da koristi najmoćnije "ljuske" koje su tada bile dostupne. To su bile -čestice emitovane sa energijom od oko 5 MeV at radioaktivnog raspada uranijum. (Kao što se sjećate, to su isti projektili kojima je bombardirao list zlatne folije prije osam godina u svojim čuvenim eksperimentima koji su doveli do planetarnog modela atoma.)

Istina, transformacija zlata u druge hemijski elementi nisu uočeni u tim eksperimentima. Sama jezgra zlata je vrlo jaka, a osim toga, sadrži dosta protona; stvaraju jako Kulonovo polje koje odbija -česticu i ne dozvoljava joj da se previše približi jezgru. Ali da bi razbio jezgro, projektil se mora približiti jezgru kako bi se nuklearne sile uključile! Pa, vrijeme veliki broj sprečava protone - možda uzeti lakše jezgro, gdje ima malo protona?

Rutherford je bombardirao jezgra dušika i kao rezultat toga izvršio prvo u historiji fizike nuklearna reakcija:

(1)

Na desnoj strani (1) vidimo produkti reakcije je izotop kiseonika i proton.

Postalo je jasno da je za proučavanje nuklearnih reakcija potrebno imati čestice projektila visoke energije. Ova prilika je data akceleratori elementarne čestice. Ubrzivači imaju dvije velike prednosti u odnosu na prirodne "radioaktivne topove".

1. Akceleratori mogu ubrzati sve nabijene čestice. Ovo posebno važi za protone, koji se ne pojavljuju tokom prirodnog raspada jezgara. Protoni su dobri jer nose minimalni naboj, što znači da doživljavaju najmanji kulonov odboj od ciljnih jezgara.

2. Akceleratori omogućavaju postizanje energije koje su nekoliko redova veličine veće od energije α-čestica tokom radioaktivnog raspada. Na primjer, na Velikom hadronskom sudaraču, protoni se ubrzavaju do energije od nekoliko TeV; ovo je milion puta više od 5 MeV za -čestice u reakciji (1) koju je sproveo Rutherford.

Dakle, uz pomoć protona koji su prošli kroz akcelerator, 1932. godine bilo je moguće razbiti jezgro litijuma (pri čemu su se dobile dvije -čestice):

(2)

Nuklearne reakcije omogućile su umjetnu transformaciju kemijskih elemenata.

Osim toga, nove, ranije nepoznate čestice počele su se otkrivati ​​u produktima reakcije. Na primjer, kada je berilij ozračen -česticama iste 1932. godine, otkriven je neutron:

(3)

Neutroni su izuzetno pogodni za cijepanje jezgara: bez električnog naboja, oni slobodno prodiru u jezgro. (Istovremeno, nije potrebno ubrzavati neutrone – spori neutroni lakše prodiru u jezgra. Ispada da neutrone čak treba i usporiti, a to se radi propuštanjem neutrona kroz običnu vodu.) Dakle, kada je dušik azot. zračenjem neutronima dolazi do sljedeće reakcije:

(4)

Energetski prinos nuklearne reakcije

Razgovarajući o energiji vezivanja, vidjeli smo da kao rezultat nuklearnih procesa, masa sistema čestica ne ostaje konstantna. To, pak, dovodi do činjenice da se kinetička energija proizvoda nuklearne reakcije razlikuje od kinetičke energije početnih čestica.

Prije svega, podsjećamo da je ukupna energija čestice mase zbir njene energije mirovanja i kinetičke energije:

Neka se nuklearna reakcija dogodi kao rezultat sudara čestica, čiji su produkti čestice i:

(5)

Ukupna energija sistema čestica je očuvana:

(6)

Kinetička energija početnih čestica je . Kinetička energija produkta reakcije je . izlaz energije nuklearna reakcija je razlika između kinetičke energije produkta reakcije i početnih čestica:

Iz (6) lako dobijamo:

(7)

Ako je class="tex" alt="(!LANG:Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} sa oslobađanjem energije više kinetička energija početnih čestica. Iz (7) vidimo da je u ovom slučaju ukupna masa produkta reakcije manje

Ako je , tada je reakcija sa apsorpcijom energije: kinetička energija produkta reakcije manje kinetička energija početnih čestica. Ukupna masa produkta reakcije u ovom slučaju više ukupna masa početnih čestica.

Dakle, pojmovi "oslobađanje" i "apsorpcija" energije ne bi trebali izazvati zabunu: oni se odnose samo na kinetički energija čestica. Ukupna energija sistema čestica, naravno, ostaje nepromijenjena u bilo kojoj reakciji.

1. Koristeći tablicu masa neutralnih atoma, nalazimo i izražavamo u a. e.m. (da biste pronašli masu jezgra, ne zaboravite da oduzmete masu elektrona od mase neutralnog atoma).

2. Izračunavamo masu početnih čestica, masu produkta reakcije i nalazimo razliku mase.

3. Pomnožite sa i dobijete vrijednost izraženu u MeV.

Sada ćemo detaljno razmotriti proračun prinosa energije koristeći dva primjera bombardiranja jezgri litijuma: prvo - protonima, zatim - česticama.

U prvom slučaju imamo već spomenutu reakciju (2):

Masa atoma litijuma je a. e. m Masa elektrona je a. e. m. Oduzevši od mase atoma masu njegova tri elektrona, dobijamo masa jezgra litijuma :

A. e. m.

Masa protona je a. e. m., tako da je masa početnih čestica:

A. e. m.

Pređimo na produkte reakcije. Masa atoma helijuma je a. e. m. Oduzmite masu elektrona i pronađite masa jezgra helijuma :

A. e. m.

Množenjem sa , dobivamo masu produkta reakcije:

A. e. m.

Masa se, kao što vidimo, smanjila; to znači da se naša reakcija nastavlja oslobađanjem energije. razlika u masi:

A. e. m.

Oslobođena energija:

MeV.

Pogledajmo sada drugi primjer. Kada se jezgra litijuma bombarduju -česticama, dešava se sljedeća reakcija:

(8)

Mase prvobitnih jezgara su nam već poznate; ostaje izračunati njihovu ukupnu masu:

A. e. m.

Iz tabele uzimamo masu atoma bora (jednaka je a. e. m.); oduzmite masu pet elektrona i dobijete masu jezgra atoma bora:

A. e. m.

Masa neutrona je a. e. m. Pronađite masu produkta reakcije:

A. e. m.

Ovaj put se težina povećala. class="tex" alt="(!LANG:(m_2 > m_1)"> !}, odnosno reakcija se odvija uz apsorpciju energije.

Razlika u masi je:

A. e. m.

Energetski prinos reakcije:

MeV.

Tako se energija MeV apsorbuje u reakciji (8). To znači da je ukupna kinetička energija produkta reakcije (jezgra bora i neutrona) manja za MeV od ukupne kinetičke energije početnih čestica (jezgra litija i -čestica). Stoga, da bi se ova reakcija u principu odvijala, energija početnih čestica mora biti najmanje MeV.

Nuklearna fisija

Bombardirajući jezgra uranijuma sporim neutronima, njemački fizičari Hahn i Strassmann otkrili su pojavu elemenata u srednjem dijelu periodični sistem: barijum, kripton, stroncijum, rubidijum, cezijum, itd. Tako je otkriveno nuklearna fisija uranijum.

Na sl. 1 vidimo proces nuklearne fisije (slika sa oup.co.uk.). Hvatajući neutron, jezgro uranijuma se razdvaja na dva dela fragment, i oslobađaju se dva ili tri neutrona.

Rice. 1. Fisija jezgra uranijuma

Fragmenti su jezgra radioaktivnih izotopa elemenata u sredini periodnog sistema. Obično je jedan od ulomaka veći od drugog. Na primjer, tokom bombardiranja uranijuma može doći do takvih kombinacija fragmenata (kako kažu, reakcija se odvija prema sljedećem kanala).

Barijum i kripton:

Cezijum i rubidijum:

Ksenon i stroncijum:

U svakoj od ovih reakcija oslobađa se vrlo velika energija - reda MeV. Uporedite ovu vrijednost sa gore navedenim energetskim prinosom reakcije (2), jednakim MeV! Odakle dolazi ova količina energije?

Počnimo s činjenicom da su zbog velikog broja protona (komadića) upakovanih u jezgro uranijuma, Kulonove odbojne sile koje šire jezgro vrlo velike. Nuklearne sile su, naravno, i dalje u stanju da sačuvaju jezgro od raspada, ali moćni Kulonov faktor spreman je da kaže svoje u svakom trenutku. A takav trenutak dolazi kada se neutron zaglavi u jezgru (slika 2 - slika sa sajta investingreenenergy.com).

Rice. 2. Deformacije, vibracije i rupture jezgra

Zarobljeni neutron uzrokuje deformaciju jezgra. Počeće fluktuacije u obliku jezgra, koje mogu postati toliko intenzivne da će se jezgro rastegnuti u "bučicu". Nuklearne sile kratkog dometa koje drže zajedno mali broj susjednih nukleona prevlake ne mogu se nositi sa silama električnog odbijanja polovica bučice, i kao rezultat toga, jezgro će puknuti.

Fragmenti će se raspršiti velikom brzinom - otprilike brzinom svjetlosti. Oni oduzimaju većina oslobođena energija (oko MeV od ).

Fisija teških jezgara može se protumačiti sa stanovišta grafa zavisnosti specifične energije vezivanja jezgra od nama već poznatog masenog broja (slika 3).

Rice. 3. Fisija teških jezgara je energetski povoljna

Boja ističe region u koji dopire specifična energija vezivanja najveća vrednost MeV/nukleon. Ovo je područje najstabilnijih jezgara. Desno od ovog područja, specifična energija vezivanja postepeno opada na MeV/nukleon u jezgri uranijuma.

Proces transformacije manje stabilnih jezgara u stabilnije je energetski povoljan i praćen je oslobađanjem energije. Tokom fisije jezgra uranijuma, kao što vidimo, specifična energija vezivanja raste za oko MeV/nukleon; ova energija se samo oslobađa u procesu fisije. Pomnožeći ovo brojem nukleona u jezgri uranijuma, dobijamo približno istu MeV energetsku izlaznu snagu, o čemu je gore diskutovano.

Nuklearna lančana reakcija

Pojava dva ili tri neutrona u procesu fisije jezgra uranijuma - najvažnija činjenica. Ovi neutroni "prve generacije" mogu pogoditi nova jezgra i uzrokovati njihovu fisiju; kao rezultat fisije novih jezgara pojavit će se neutroni "druge generacije", koji će pasti u sljedeće jezgre i uzrokovati njihovu fisiju; nastat će neutroni "treće generacije" koji će dovesti do fisije sljedećih jezgara itd. nuklearna lančana reakcija, tokom kojeg se oslobađa ogromna količina energije.

Da bi se nuklearna lančana reakcija nastavila, potrebno je da broj oslobođenih neutrona u sljedećoj generaciji ne bude manje od broja neutroni u prethodna generacija. Vrijednost

pozvao faktor multiplikacije neutrona. Dakle, lančana reakcija ide pod uslovom class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}

U slučaju class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} neupravljiv. Ovako eksplodira atomska bomba.

AT nuklearnih reaktora ide kontrolisan lančana reakcija fisije sa faktorom množenja. Stacionarni protok kontrolisan lančana reakcija Osigurava se uvođenjem u jezgro reaktora (tj. u područje gdje se odvija reakcija) posebnih kontrolnih šipki koje apsorbiraju neutrone. Kada su štapovi potpuno umetnuti, njihova apsorpcija neutrona je tolika da do reakcije ne dolazi. Tokom pokretanja reaktora, šipke se postepeno izvlače iz jezgre sve dok oslobođena snaga ne dostigne potrebnu razinu. Ovaj nivo se pažljivo kontroliše, a kada se on prekorači, uključuju se uređaji koji uvode kontrolne šipke nazad u jezgro.

termonuklearna reakcija

Uz reakciju fisije teških jezgara, obrnuti proces u određenom smislu se ispostavlja energetski mogućim - sinteza lakih jezgara, odnosno fuziju jezgara lakih elemenata (nalazi se na početku periodni sistem) da se formira teže jezgro.

Da bi fuzija jezgri počela, potrebno ih je približiti - tako da nuklearne sile dođu u igru. Za takav pristup potrebno je savladati Kulonovsko odbijanje jezgara, koje se naglo povećava sa smanjenjem udaljenosti između njih. To je moguće samo kada je kinetička energija jezgara veoma visoka, što znači da na veoma visokoj temperaturi (desetine i stotine miliona stepeni). Stoga se reakcija nuklearne fuzije naziva termonuklearna reakcija.

Kao primjer termonuklearne reakcije dajemo reakciju fuzije jezgri deuterija i tricija (teški i superteški izotopi vodika), kao rezultat čega nastaju jezgro helija i neutron:

(9)

Ova reakcija se nastavlja oslobađanjem energije jednake MeV (pokušajte sami napraviti proračune i dobiti ovu vrijednost). Ovo je mnogo, s obzirom da su u reakciji uključeni samo nukleoni! Zaista, po nukleonu, reakcija (9) oslobađa energiju od približno MeV, dok fisijom jezgra uranijuma oslobađa se "samo" MeV po nukleonu.

Dakle, termonuklearne reakcije služe kao izvor čak i više energije od reakcija nuklearne fisije. Sa fizičke tačke gledišta, ovo je razumljivo: energija reakcije nuklearne fisije je u osnovi kinetička energija ubrzanih fragmenata električni odbojne sile, a u nuklearnoj fuziji energija se oslobađa kao rezultat ubrzanja nukleona jedan prema drugom pod djelovanjem mnogo snažnijih nuklearna sile privlačenja.

Jednostavno rečeno, prilikom fisije jezgara oslobađa se energija električne interakcije, a pri sintezi jezgara energija jake (nuklearne) interakcije.

U unutrašnjosti zvijezda postižu se temperature koje su pogodne za fuziju jezgara. Svjetlost Sunca i udaljenih zvijezda nosi energiju koja se oslobađa u termonuklearnim reakcijama – prilikom fuzije jezgara vodonika u jezgra helijuma i naknadne fuzije jezgara helijuma u jezgra težih elemenata smještenih u srednjem dijelu periodnog sistema. Smjer termonuklearne fuzije prikazan je na sl. četiri ; sinteza lakih jezgara je energetski povoljna, jer je usmjerena na povećanje specifične energije vezivanja jezgra.

Rice. 4. Sinteza lakih jezgara je energetski povoljna

Tokom eksplozije odvija se nekontrolisana termonuklearna reakcija hidrogenska bomba. Prvo eksplodira ugrađeni atomska bomba- ovo je neophodno za stvaranje visoke temperature u prvoj fazi termonuklearne eksplozije. Kada se postigne potrebna temperatura u termonuklearnom gorivu bombe, počinju reakcije fuzije i dolazi do eksplozije same hidrogenske bombe.

Implementacija kontrolirane termonuklearne reakcije ostaje neriješen problem, na kojem fizičari rade više od pola stoljeća. Ako je moguće postići kontrolirani tok termonuklearne fuzije, onda će čovječanstvo imati na raspolaganju gotovo neograničen izvor energije. To je izuzetno važan zadatak suočavanje sa sadašnjim i budućim generacijama – u svjetlu prijeteće perspektive iscrpljivanja naftnih i plinskih resursa naše planete.

Izomerna tranzicija

nuklearna reakcija- proces formiranja novih jezgara ili čestica tokom sudara jezgara ili čestica. Po prvi put, nuklearnu reakciju je primijetio Rutherford 1919. godine, bombardirajući jezgra atoma dušika α-česticama, zabilježena je pojavom sekundarnih ionizirajućih čestica koje imaju raspon u plinu veći od raspona α- čestice i identificirani kao protoni. Nakon toga, fotografije ovog procesa su dobijene pomoću komore za oblake.

Prema mehanizmu interakcije, nuklearne reakcije se dijele na dvije vrste:

• reakcije sa formiranjem složenog jezgra, ovo je dvofazni proces koji se odvija pri ne baš visokoj kinetičkoj energiji sudarajućih čestica (do oko 10 MeV).
• direktne nuklearne reakcije nuklearno vrijeme potrebno da čestica pređe jezgro. Ovaj mehanizam se manifestuje uglavnom pri visokim energijama bombardujućih čestica.

Ako se nakon sudara sačuvaju originalna jezgra i čestice, a ne rađaju se nove, tada je reakcija elastično raspršivanje u polju nuklearnih sila, praćeno samo preraspodjelom kinetičke energije i impulsa čestice i cilja. jezgro, i zove se potencijalno rasipanje .

Mehanizmi nuklearnih reakcija

Složena jezgra

Teoriju reakcionog mehanizma sa formiranjem složenog jezgra razvio je Niels Bohr 1936. godine zajedno sa teorijom modela kapljice jezgra i leži u osnovi modernih ideja o velikom delu nuklearnih reakcija.

Prema ovoj teoriji, nuklearna reakcija se odvija u dvije faze. Na početku, početne čestice formiraju srednje (kompozitno) jezgro za nuklearno vrijeme, odnosno vrijeme potrebno da čestica pređe jezgro, približno jednako 10 −23 - 10 −21 . U ovom slučaju, složeno jezgro se uvijek formira u pobuđenom stanju, jer ima višak energije koju čestica unosi u jezgro u obliku energije vezivanja nukleona u složenom jezgru i dijela njegove kinetičke energije, koja je jednak zbiru kinetičke energije ciljnog jezgra sa masenim brojem i čestice u centru inercije sistema.

Energija ekscitacije

Energija pobude složenog jezgra nastalog apsorpcijom slobodnog nukleona jednaka je zbroju energije vezivanja nukleona i dijela njegove kinetičke energije:

Najčešće zbog velika razlika u masama jezgra i nukleona približno je jednaka kinetičkoj energiji nukleona koji bombarduje jezgro.

U prosjeku, energija vezivanja je 8 MeV, varira ovisno o karakteristikama rezultirajućeg složenog jezgra, međutim, za date ciljne jezgre i nukleone, ova vrijednost je konstantna. Kinetička energija čestice bombardiranja može biti bilo koja, na primjer, kada su nuklearne reakcije pobuđene neutronima, čiji potencijal nema Coulomb barijeru, vrijednost može biti blizu nule. Dakle, energija vezivanja je minimalna energija pobude složenog jezgra.

Kanali reakcije

Prijelaz u neuzbuđeno stanje može se izvršiti na različite načine tzv reakcioni kanali. Vrste i kvantno stanje upadnih čestica i jezgara prije početka reakcije određuju ulazni kanal reakcije. Nakon završetka reakcije, skup se formira produkti reakcije a njihova kvantna stanja određuje izlazni kanal reakcije. Reakcija je u potpunosti karakterizirana ulaznim i izlaznim kanalima.

Reakcioni kanali ne zavise od načina nastajanja složenog jezgra, što se može objasniti dugim životnim vekom složenog jezgra, čini se da se "zaboravlja" kako je nastalo, dakle, formiranje i raspadanje jezgra spoja. mogu se smatrati nezavisnim događajima. Na primjer, može se formirati kao složeno jezgro u pobuđenom stanju u jednoj od sljedećih reakcija:

Zatim, pod uslovom iste energije pobuđivanja, ovo složeno jezgro može da se raspadne obrnutim putem bilo koje od ovih reakcija, sa određenom verovatnoćom, nezavisno od istorije porekla ovog jezgra. Vjerovatnoća formiranja složenog jezgra ovisi o energiji i vrsti ciljnog jezgra.

Direktne nuklearne reakcije

Tok nuklearnih reakcija moguć je i putem mehanizma direktne interakcije, u osnovi, takav mehanizam se manifestuje pri vrlo visokim energijama bombardujućih čestica, kada se nukleoni jezgra mogu smatrati slobodnim. Direktne reakcije se razlikuju od mehanizma složenog jezgra, prije svega, po raspodjeli vektora momenta čestica produkta u odnosu na impuls bombardirajućih čestica. Za razliku od sferne simetrije mehanizma složenog jezgra, direktnu interakciju karakteriše dominantan smjer leta produkta reakcije naprijed u odnosu na smjer kretanja upadnih čestica. Distribucija energije čestica proizvoda u ovim slučajevima je također različita. Direktnu interakciju karakterizira višak čestica s visoka energija. Prilikom sudara sa jezgrima složene čestice(odnosno drugih jezgara), mogući su procesi prijenosa nukleona iz jezgra u jezgro ili razmjena nukleona. Takve reakcije se odvijaju bez formiranja složenog jezgra i njima su inherentne sve karakteristike direktne interakcije.

Poprečni presjek nuklearne reakcije

Vjerojatnost reakcije određena je takozvanim nuklearnim presjekom reakcije. U laboratorijskom referentnom okviru (gdje ciljno jezgro miruje), vjerovatnoća interakcije po jedinici vremena jednaka je umnošku poprečnog presjeka (izraženog u jedinicama površine) i fluksa upadnih čestica (izraženog brojem čestice koje prelaze jedinicu površine u jedinici vremena). Ako se za jedan ulazni kanal može implementirati više izlaznih kanala, tada je omjer vjerovatnoća izlaznih kanala reakcije jednak omjeru njihovih poprečnih presjeka. U nuklearnoj fizici, presjeci reakcije se obično izražavaju u posebnim jedinicama - štalama, jednakim 10 −24 cm².

Reakcioni prinos

Broj slučajeva reakcije, vezan za broj čestica koje bombardiraju metu, naziva se nuklearna reakcija. Ova vrijednost je određena eksperimentalno u kvantitativnim mjerenjima. Pošto je prinos direktno povezan sa poprečnim presekom reakcije, merenje prinosa je u suštini merenje poprečnog preseka reakcije.

Zakoni očuvanja u nuklearnim reakcijama

U nuklearnim reakcijama zadovoljeni su svi zakoni održanja klasične fizike. Ovi zakoni nameću ograničenja na mogućnost nuklearne reakcije. Čak se i energetski povoljan proces uvijek pokaže nemogućim ako je praćen kršenjem nekog zakona o očuvanju. Osim toga, postoje zakoni očuvanja specifični za mikrosvijet; neki od njih su uvijek ispunjeni, koliko je poznato (zakon održanja barionskog broja, leptonskog broja); drugi zakoni održanja (izospin, paritet, čudnost) samo potiskuju određene reakcije, jer nisu zadovoljene za neke od fundamentalnih interakcija. Posljedice zakona očuvanja su takozvana pravila selekcije, koja ukazuju na mogućnost ili zabranu određenih reakcija.

Zakon o očuvanju energije

Ako su , , , ukupne energije dviju čestica prije i poslije reakcije, onda na osnovu zakona održanja energije:

Kada se formira više od dvije čestice, broj članova na desnoj strani ovog izraza trebao bi biti veći, respektivno. Ukupna energija čestice jednaka je njenoj energiji mirovanja Mc 2 i kinetička energija E, zbog toga:

Razlika između ukupne kinetičke energije čestica na "izlazu" i "ulazu" reakcije Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) pozvao reakciona energija(ili energetski prinos reakcije). Zadovoljava uslov:

množitelj 1/ c 2 se obično izostavlja prilikom brojanja energetski bilans izražavanje mase čestica u jedinicama energije (ili ponekad energije u jedinicama mase).

Ako a Q> 0, tada je reakcija praćena oslobađanjem slobodne energije i naziva se egzoenergetski , ako Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergetski .

Lako je to vidjeti Q> 0 kada je zbir masa čestica proizvoda manji od zbira masa početnih čestica, odnosno oslobađanje slobodne energije moguće je samo smanjenjem masa reagujućih čestica. I obrnuto, ako zbroj masa sekundarnih čestica premašuje zbir masa početnih, onda je takva reakcija moguća samo ako se određena količina kinetičke energije potroši na povećanje energije mirovanja, tj. mase novih čestica. Minimalna vrijednost kinetičke energije upadne čestice pri kojoj je moguća endoenergetska reakcija naziva se prag reakcione energije. Nazivaju se i endoenergetske reakcije granične reakcije, budući da se ne javljaju pri energijama čestica ispod praga.

Zakon održanja impulsa

Ukupni impuls čestica prije reakcije jednak je ukupnom impulsu čestica-produkta reakcije. Ako su , , , vektori momenta dvije čestice prije i poslije reakcije, onda

Svaki od vektora može se nezavisno eksperimentalno meriti, kao što je magnetni spektrometar. Eksperimentalni podaci pokazuju da zakon održanja impulsa vrijedi i u nuklearnim reakcijama i u procesima raspršivanja mikročestica.

Zakon održanja ugaonog momenta

reakcija nuklearne fuzije

nuklearna reakcija sinteza- proces fuzije dva atomska jezgra sa formiranjem novog, težeg jezgra.

Pored novog jezgra, u toku fuzijske reakcije, u pravilu nastaju i razne elementarne čestice i (ili) kvanti elektromagnetnog zračenja.

Bez opskrbe vanjskom energijom, fuzija jezgara je nemoguća, jer pozitivno nabijena jezgra doživljavaju sile elektrostatičkog odbijanja - to je takozvana "Kulonova barijera". Za sintezu jezgara potrebno ih je približiti na udaljenost od oko 10 −15 m, na kojoj će jaka interakcija premašiti sile elektrostatičkog odbijanja. Ovo je moguće ako kinetička energija jezgara koja se približava premašuje Kulonovu barijeru.

Ovakvi uslovi mogu nastati u dva slučaja:

• Ako je supstanca zagrijana na ekstremno visoke temperature u zvjezdanom ili fuzijskom reaktoru. Prema kinetičkoj teoriji, kinetička energija pokretne mikročestice supstance (atomi, molekuli ili ioni) mogu se predstaviti u obliku temperature, pa je, stoga, zagrevanjem supstance moguće postići reakciju nuklearne fuzije. U ovom slučaju govore o termonuklearnoj fuziji ili termonuklearnoj reakciji.

termonuklearna reakcija

termonuklearna reakcija- fuzija dva atomska jezgra sa formiranjem novog, težeg jezgra, zbog kinetičke energije njihovog toplotnog kretanja.

Za reakciju nuklearne fuzije, početna jezgra moraju imati relativno veliku kinetičku energiju, budući da doživljavaju elektrostatičko odbijanje, budući da su pozitivno nabijene sa istim imenom.

Prije svega, među njima treba istaknuti reakciju između dva izotopa (deuterijuma i tricija) vodika, koja je vrlo česta na Zemlji, uslijed koje nastaje helij i oslobađa se neutron. Reakcija se može napisati kao:

+ energija (17,6 MeV).

Oslobođena energija (koja proizlazi iz činjenice da helijum-4 ima vrlo jake nuklearne veze) pretvara se u kinetičku energiju, od koje većina, 14,1 MeV, nosi neutron sa sobom kao lakšu česticu. Nastala jezgra je čvrsto vezana, zbog čega je reakcija tako snažno egzoenergetska. Ovu reakciju karakterizira najniža Kulonova barijera i veliki prinos, pa je od posebnog interesa za kontroliranu termonuklearnu fuziju.

fotonuklearna reakcija

Kada se gama zrak apsorbira, jezgro prima višak energije bez promjene svog nukleonskog sastava, a jezgro s viškom energije je složeno jezgro. Kao i druge nuklearne reakcije, apsorpcija gama-kvanta jezgrom je moguća samo ako su ispunjeni potrebni omjeri energije i spina. Ako energija prenesena na jezgro premašuje energiju vezivanja nukleona u jezgru, tada se raspad nastalog složenog jezgra događa najčešće emisijom nukleona, uglavnom neutrona. Takav raspad dovodi do nuklearnih reakcija i , koje se nazivaju fotonuklearni, i fenomen emisije nukleona u ovim reakcijama - nuklearni fotoelektrični efekat.

Ostalo

Snimanje nuklearnih reakcija

Nuklearne reakcije su zapisane u obliku posebnih formula u kojima se pojavljuju oznake atomskih jezgara i elementarnih čestica.

Prvi način pisanje formula za nuklearne reakcije slično je pisanju formula za hemijske reakcije, odnosno, zbir početnih čestica je napisan sa leve strane, zbir dobijenih čestica (proizvoda reakcije) je napisan na desnoj strani i postavljena strelica između njih.

Dakle, reakcija radijacijskog hvatanja neutrona jezgrom kadmijuma-113 zapisuje se na sljedeći način:

Vidimo da broj protona i neutrona desno i lijevo ostaje isti (barionski broj je očuvan). Isto važi i za električne naboje, leptonske brojeve i druge veličine (energija, impuls, ugaoni moment,...). U nekim reakcijama u kojima je uključena slaba interakcija, protoni se mogu pretvoriti u neutrone i obrnuto, ali se njihov ukupan broj ne mijenja.

Drugi način notacija, pogodnija za nuklearnu fiziku, ima oblik A (a, bcd…) B, gdje ALI- ciljno jezgro a- bombardirajuća čestica (uključujući jezgro), b, c, d, ...- emitovane čestice (uključujući jezgra), AT- rezidualno jezgro. Lakši produkti reakcije su napisani u zagradama, teži proizvodi su napisani izvana. Dakle, gornja reakcija hvatanja neutrona može se napisati u ovom obliku.