Tuumareaktsioonid: lihtsad ja selged. Füüsikaprobleemide lahendamine: tuumareaktsioonid

Inimene ei lahkunud pikka aega unistusest elementide vastastikusest teisenemisest – täpsemalt transformatsioonist mitmesugused metallidüheks. Pärast nende katsete mõttetuse mõistmist tekkis seisukoht keemiliste elementide puutumatuse kohta. Ja alles tuuma struktuuri avastamine 20. sajandi alguses näitas, et elementide muundumine üksteiseks on võimalik – kuid mitte keemiliste meetoditega ehk siis aatomite väliseid elektronkihte mõjutades, vaid segades. aatomituuma struktuuriga. Seda tüüpi (ja mõned teised) nähtused on seotud tuumareaktsioonidega, mille näiteid käsitletakse allpool. Kuid kõigepealt on vaja meelde tuletada mõningaid põhimõisteid, mida selle arutelu käigus nõutakse.

Tuumareaktsioonide üldkontseptsioon

On nähtusi, kus ühe või teise elemendi aatomi tuum interakteerub teise tuuma või mõne elementaarosakesega ehk vahetab nendega energiat ja hoogu. Selliseid protsesse nimetatakse tuumareaktsioonideks. Nende tagajärjeks võib olla tuuma koostise muutumine või uute tuumade moodustumine koos teatud osakeste emissiooniga. Sel juhul on järgmised valikud:

• ühe keemilise elemendi muundumine teiseks;
• fusioon ehk tuumade sulandumine, mille käigus tekib raskema elemendi tuum.

Reaktsiooni algfaasi, mis määratakse sellesse sisenevate osakeste tüübi ja oleku järgi, nimetatakse sisselaskekanaliks. Väljumiskanalid on reaktsiooni võimalikud teed.

Tuumareaktsioonide registreerimise reeglid

Allpool toodud näited näitavad viise, kuidas on tavaks kirjeldada reaktsioone, mis hõlmavad tuumasid ja elementaarosakesed.

Esimene meetod on sama, mis keemias: algosakesed asetatakse vasakule ja reaktsiooniproduktid paremale. Näiteks berüllium-9 tuuma vastastikmõju langeva alfaosakesega (nn neutronite avastamise reaktsioon) on kirjutatud järgmiselt:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Ülemised indeksid näitavad nukleonide arvu, see tähendab tuumade massinumbreid, alumised indeksid, prootonite arvu, see tähendab aatomnumbreid. Mõlema vasaku ja parema külje summad peavad ühtima.

Füüsikas sageli kasutatav lühendatud viis tuumareaktsioonide võrrandite kirjutamiseks näeb välja järgmine:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Sellise kirje üldvorm on: A (a, b 1 b 2 ...) B. Siin on A sihttuum; a - langev osake või tuum; b 1 , b 2 ja nii edasi - valgusreaktsiooni saadused; B on viimane tuum.

Tuumareaktsioonide energia

Tuumamuutustes täidetakse energia jäävuse seadus (koos teiste jäävusseadustega). Kus kineetiline energia osakesed reaktsiooni sisend- ja väljundkanalites võivad puhkeenergia muutuste tõttu erineda. Kuna viimane on samaväärne osakeste massiga, on massid enne ja pärast reaktsiooni samuti erinevad. Kuid süsteemi koguenergia säilib alati.

Reaktsiooni sisenevate ja sealt väljuvate osakeste puhkeenergia erinevust nimetatakse energiasaagiseks ja väljendub nende kineetilise energia muutumises.

Tuumadega seotud protsessides osalevad kolme tüüpi fundamentaalsed vastasmõjud – elektromagnetiline, nõrk ja tugev. Tänu viimasele on tuumal selline oluline omadus nagu kõrge sidumisenergia selle koostises olevate osakeste vahel. See on oluliselt kõrgem kui näiteks tuuma ja aatomi elektronide või molekulide aatomite vahel. Sellest annab tunnistust märgatav massidefekt – vahe nukleonite masside summa ja tuuma massi vahel, mis on alati väiksem sidumisenergiaga võrdelise väärtuse võrra: Δm = E St / c 2 . Massi defekt arvutatakse lihtsa valemiga Δm = Zm p + Am n - M i, kus Z on tuumalaeng, A on massiarv, m p on prootoni mass (1,00728 a.m.u.), m n on tuuma mass. neutron ( 1,00866 amu), M i on tuuma mass.

Tuumareaktsioonide kirjeldamisel kasutatakse spetsiifilise sidumisenergia mõistet (ehk nukleoni kohta: Δmc 2 /A).

Seotav energia ja tuumastabiilsus

Kõige stabiilsemad, st kõrgeima spetsiifilise sidumisenergiaga, on tuumad massinumbriga 50–90, näiteks raud. See "stabiilsuse tipp" on tingitud tuumajõudude mittekesksest olemusest. Kuna iga nukleon suhtleb ainult oma naabritega, on ta tuuma pinnal nõrgemini seotud kui sees. Mida vähem tuumas on interakteeruvaid nukleone, seda väiksem on sidumisenergia, mistõttu on kerged tuumad vähem stabiilsed. Osakeste arvu kasvades tuumas omakorda suurenevad prootonitevahelised Coulombi tõukejõud, mistõttu väheneb ka raskete tuumade sidumisenergia.

Seega on kergete tuumade puhul kõige tõenäolisemad ehk energeetiliselt soodsamad termotuumareaktsioonid stabiilse keskmise massiga tuuma moodustumisega, raskete tuumade puhul aga vastupidi, lagunemis- ja lõhustumisprotsessid (sageli mitmeastmelised). mille tulemusena moodustuvad ka stabiilsemad tooted. Neid reaktsioone iseloomustab positiivne ja sageli väga kõrge energiasaagis, millega kaasneb sidumisenergia suurenemine.

Allpool käsitleme mõningaid tuumareaktsioonide näiteid.

Lagunemisreaktsioonid

Tuumade koostises ja struktuuris võivad toimuda spontaansed muutused, mille käigus eralduvad mõned tuuma elementaarosakesed või fragmendid, näiteks alfaosakesed või raskemad klastrid.

Niisiis, alfa-lagunemise ajal, mis on võimalik tänu kvanttunnelile, ületab alfaosake tuumajõudude potentsiaalse barjääri ja lahkub lähtetuumast, mis vastavalt vähendab aatomarvu 2 võrra ja massiarvu 4 võrra. raadium-226 tuum, mis kiirgab alfaosakest, muutub radooniks-222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Raadium-226 tuuma lagunemisenergia on umbes 4,87 MeV.

Konditsioneeritud beetalagunemine toimub ilma nukleonite arvu (massiarvu) muutmata, kuid tuumalaengu suurenemise või vähenemisega 1 võrra antineutriino või neutriino, aga ka elektroni või positroni kiirgamisel. Seda tüüpi tuumareaktsiooni näide on fluor-18 beeta-pluss lagunemine. Siin muutub üks tuuma prootonitest neutroniks, eralduvad positron ja neutriino ning fluor muutub hapnikuks-18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + v e.

Fluor-18 beeta-lagunemise energia on umbes 0,63 MeV.

Tuuma lõhustumine

Lõhustumisreaktsioonidel on palju suurem energiasaagis. Nii nimetatakse protsessi, mille käigus tuum laguneb spontaanselt või sunniviisiliselt massiliselt lähedasteks fragmentideks (tavaliselt kaheks, harva kolmeks) ja mõneks kergemaks tooteks. Tuum jagatakse, kui selle potentsiaalne energia ületab algväärtuse teatud summa võrra, mida nimetatakse lõhustumise barjääriks. Kuid isegi raskete tuumade puhul on spontaanse protsessi tõenäosus väike.

See suureneb oluliselt, kui tuum saab vastava energia väljastpoolt (kui osake sinna siseneb). Neutron tungib kõige kergemini tuuma, kuna see ei allu elektrostaatilisele tõukejõule. Neutroni tabamus toob kaasa tuuma siseenergia suurenemise, see deformeerub kaela ja lõhustumisega. Killud lendavad Coulombi jõudude toimel laiali. Tuuma lõhustumise reaktsiooni näide näitab, et uraan-235 neelab neutronit:

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

Jagamine baarium-144-ks ja krüptoon-89-ks on vaid üks neist valikuid uraan-235 lõhustumine. Selle reaktsiooni võib kirjutada järgmiselt: 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, kus 236 92 U* on suure ergastatusega liittuum, millel on suur potentsiaalne energia. Selle ülejääk koos alg- ja tütartuumade sidumisenergia erinevusega vabaneb peamiselt (umbes 80%) reaktsioonisaaduste kineetilise energia kujul ja osaliselt ka lõhustumise potentsiaalse energia kujul. killud. Massiivse tuuma tuuma lõhustumise koguenergia on umbes 200 MeV. 1 grammi uraan-235 kohta (eeldusel, et kõik tuumad on reageerinud) on see 8,2 ∙ 10 4 megadžauli.

ahelreaktsioonid

Uraan-235, aga ka selliste tuumade nagu uraan-233 ja plutoonium-239 lõhustumist iseloomustab üks oluline omadus- vabade neutronite olemasolu reaktsioonisaaduste hulgas. Need osakesed, tungides teistesse tuumadesse, on omakorda võimelised algatama nende lõhustumise, taaskord uute neutronite emissiooniga jne. Seda protsessi nimetatakse tuuma ahelreaktsiooniks.

Voolu ahelreaktsioon sõltub sellest, kuidas korreleerub järgmise põlvkonna emiteeritud neutronite arv nende arvuga eelmine põlvkond. Seda suhet k = N i /N i -1 (siin N on osakeste arv, i on generatsiooni järjekorranumber) nimetatakse neutronite korrutusteguriks. Sest k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 neutronite arv ja seega ka lõhustuvate tuumade arv suureneb nagu laviin. Seda tüüpi tuuma ahelreaktsiooni näide on aatomipommi plahvatus. Kui k = 1, on protsess statsionaarne, nagu näiteks neutroneid neelavate varraste poolt juhitav reaktsioon. tuumareaktorid.

Tuumasünteesi

Suurim energia vabanemine (ühe nukleoni kohta) toimub kergete tuumade ühinemisel – nn fusioonireaktsioonidel. Reaktsiooni alustamiseks peavad positiivselt laetud tuumad ületama Coulombi barjääri ja lähenema tugeva interaktsiooni kaugusele, mis ei ületa tuuma enda suurust. Seetõttu peab neil olema ülikõrge kineetiline energia, mis tähendab kõrgeid temperatuure (kümneid miljoneid kraadi ja rohkem). Sel põhjusel nimetatakse fusioonireaktsioone ka fusioonireaktsioonideks.

Tuumasünteesi reaktsiooni näide on heelium-4 moodustumine neutroni emissiooniga deuteeriumi ja triitiumi tuumade ühinemisel:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Siin vabaneb energia 17,6 MeV, mis nukleoni kohta on enam kui 3 korda suurem uraani lõhustumise energiast. Neist 14,1 MeV langeb neutroni kineetilisele energiale ja 3,5 MeV - heelium-4 tuumale. Selline oluline väärtus tekib ühelt poolt deuteeriumi (2,2246 MeV) ja triitiumi (8,4819 MeV) ning teiselt poolt heelium-4 (28,2956 MeV) tuumade sidumisenergiate tohutu erinevuse tõttu.

Tuuma lõhustumisreaktsioonides eraldub elektrilise tõukeenergia, termotuumasünteesi puhul aga energia tugeva vastasmõju tõttu – kõige võimsam looduses. See määrab seda tüüpi tuumareaktsioonide sellise olulise energiasaagise.

Näited probleemide lahendamisest

Vaatleme lõhustumisreaktsiooni 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Mis on selle energiaväljund? AT üldine vaade selle arvutamise valem, mis kajastab osakeste puhkeenergia erinevust enne ja pärast reaktsiooni, on järgmine:

Q \u003d Δmc 2 \u003d (m A + m B - m X - m Y + ...) ∙ c 2.

Valguse kiiruse ruuduga korrutamise asemel saate masside erinevuse korrutada koefitsiendiga 931,5, et saada energiaväärtus megaelektronvoltides. Sobivate väärtuste asendamine valemis aatomi massid, saame:

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

Teine näide on termotuumasünteesi reaktsioon. See on prootoni-prootoni tsükli üks etappe - peamine päikeseenergia allikas.

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

Kasutame sama valemit:

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

Põhiosa sellest energiast – 12,8 MeV – langeb sel juhul gammafootonile.

Oleme käsitlenud ainult tuumareaktsioonide lihtsamaid näiteid. Nende protsesside füüsika on äärmiselt keeruline, need on väga mitmekesised. Tuumareaktsioonide uurimisel ja rakendamisel on suur tähtsus nii praktilises valdkonnas (energeetika) kui ka fundamentaalteaduses.

>> Tuumareaktsioonid

§ 106 TUUMAREAKTSIOONID

Aatomituumad läbivad interaktsioonide käigus transformatsioone. Nende transformatsioonidega kaasneb neis osalevate osakeste kineetilise energia suurenemine või vähenemine.

Tuumareaktsioonid nimetatakse muutusteks aatomituumades, kui need interakteeruvad elementaarosakestega või üksteisega. Tuumareaktsioonide näidetega olete end juba kurssi viinud § 103. Tuumareaktsioonid tekivad siis, kui osakesed satuvad tuuma lähedale ja satuvad tuumajõudude toimesfääri. Sarnaselt laetud osakesed tõrjuvad üksteist. Seetõttu on positiivselt laetud osakeste lähenemine tuumadele (või tuumade üksteisele) võimalik, kui neile osakestele (või tuumadele) antakse piisavalt suur kineetiline energia. See energia antakse kiirendite abil prootonitele, deuteeriumi tuumadele - deuteroonidele, -osakestele ja teistele raskematele tuumadele.

Tuumareaktsioonide läbiviimiseks on see meetod palju tõhusam kui kiirgavate heeliumi tuumade kasutamine radioaktiivsed elemendid. Esiteks , saab kiirendite abil osakestele anda energia suurusjärgus 10 5 MeV, st palju suurem kui a-osakestel (maksimaalselt 9 MeV). Teiseks , saab kasutada prootoneid, mis radioaktiivse lagunemise käigus ei ilmu (see on soovitav, sest prootonite laeng on poole väiksem kui -osakeste laeng ja seetõttu on ka tuumadest neile mõjuv tõukejõud 2 korda väiksem). Kolmandaks , on võimalik kiirendada heeliumi tuumadest raskemaid tuumasid.

Esimene tuumareaktsioon kiiretel prootonitel viidi läbi 1932. aastal. Liitiumi oli võimalik jagada kaheks osakeseks:

Relatiivsusteooria ütleb, et mass on eriline kuju energiat. Sellest järeldub, et massi on võimalik muuta energiaks ja energiat massiks. Aatomisisesel tasandil sellised reaktsioonid toimuvad. Eelkõige võib teatud mass ise muutuda energiaks. See juhtub mitmel viisil. Esiteks võib tuum laguneda mitmeks väiksemaks tuumaks, seda reaktsiooni nimetatakse "lagunemiseks". Teiseks võivad väiksemad tuumad hõlpsasti ühendada suuremaks – see on ühinemisreaktsioon. Universumis on sellised reaktsioonid väga levinud. Piisab, kui öelda, et termotuumasünteesi reaktsioon on tähtede energiaallikas. Kuid lagunemisreaktsiooni kasutab inimkond, sest inimesed on õppinud neid keerulisi protsesse kontrollima. Aga mis on tuuma ahelreaktsioon? Kuidas seda hallata?

Mis toimub aatomi tuumas

Tuuma ahelreaktsioon on protsess, mis toimub elementaarosakeste või tuumade põrkumisel teiste tuumadega. Miks "kett"? See on järjestikuste üksikute tuumareaktsioonide kogum. Selle protsessi tulemusena toimub algtuuma kvantoleku ja nukleoni koostise muutus, tekivad isegi uued osakesed - reaktsiooniproduktid. Tuuma ahelreaktsioon, mille füüsika võimaldab uurida tuumade vastastikmõju mehhanisme tuumade ja osakestega, on peamine meetod uute elementide ja isotoopide saamiseks. Ahelreaktsiooni kulgemise mõistmiseks tuleb esmalt tegeleda üksikutega.

Mida on reaktsiooniks vaja

Sellise protsessi kui tuuma ahelreaktsiooni läbiviimiseks on vaja osakesed (tuum ja nukleon, kaks tuuma) üksteisele lähendada tugeva interaktsiooni raadiuse kaugusel (umbes üks fermi). Kui vahemaad on suured, on laetud osakeste interaktsioon puhtalt kulon. Tuumareaktsioonis järgitakse kõiki seadusi: energia jäävus, impulss, impulss, barüonilaeng. Tuuma ahelreaktsiooni tähistatakse sümbolikogumiga a, b, c, d. Sümbol a tähistab algset tuuma, b sissetulevat osakest, c uut väljuvat osakest ja d saadud tuuma.

Reaktsiooni energia

Tuuma ahelreaktsioon võib toimuda nii energia neeldumise kui ka vabanemisega, mis on võrdne osakeste masside erinevusega pärast reaktsiooni ja enne seda. Neeldunud energia määrab kokkupõrke minimaalse kineetilise energia ehk nn tuumareaktsiooni läve, mille juures see võib vabalt edasi kulgeda. See lävi sõltub interaktsioonis osalevatest osakestest ja nende omadustest. peal esialgne etapp kõik osakesed on etteantud kvantolekus.

Reaktsiooni rakendamine

Tuuma pommitavate laetud osakeste peamine allikas on prootonite, raskete ioonide ja kergete tuumade kiirte allikas. Aeglased neutronid saadakse tuumareaktorite kasutamisega. Juhtuvate laetud osakeste fikseerimiseks saab kasutada erinevat tüüpi tuumareaktsioone, nii ühinemist kui ka lagunemist. Nende tõenäosus sõltub põrkuvate osakeste parameetritest. Seda tõenäosust seostatakse sellise tunnusega nagu reaktsiooni ristlõige - efektiivse ala väärtus, mis iseloomustab tuuma kui langevate osakeste sihtmärki ja mis on osakese ja tuuma vastasmõju tõenäosuse mõõt. Kui reaktsioonis osalevad nullist erineva spinniga osakesed, siis sõltub ristlõige otseselt nende orientatsioonist. Kuna langevate osakeste spinnid ei ole täiesti juhuslikult orienteeritud, vaid enam-vähem järjestatud, polariseeritakse kõik korpusklid. Orienteeritud kiirte spinnide kvantitatiivset omadust kirjeldab polarisatsioonivektor.

reaktsiooni mehhanism

Mis on tuuma ahelreaktsioon? Nagu juba mainitud, on see jada rohkem lihtsad reaktsioonid. Langeva osakese omadused ja selle vastasmõju tuumaga sõltuvad massist, laengust ja kineetilisest energiast. Interaktsiooni määrab kokkupõrke ajal ergastuvate tuumade vabadusaste. Kõigi nende mehhanismide üle kontrolli saavutamine võimaldab teil läbi viia sellist protsessi nagu kontrollitud tuuma ahelreaktsioon.

Otsesed reaktsioonid

Kui laetud osake, mis tabab sihttuuma, puudutab seda ainult, on kokkupõrke kestus võrdne tuuma raadiuse ületamiseks vajaliku vahemaaga. Sellist tuumareaktsiooni nimetatakse otseseks reaktsiooniks. Üldine omadus kõigi seda tüüpi reaktsioonide jaoks on väikese arvu vabadusastmete ergastamine. Sellises protsessis on osakesel pärast esimest kokkupõrget veel piisavalt energiat, et tuumatõmbejõust üle saada. Näiteks sellised vastasmõjud nagu mitteelastne neutronite hajumine, laenguvahetus ja viitavad otsesele. Selliste protsesside panus karakteristikusse, mida nimetatakse "kogu ristlõikeks", on üsna tühine. Otsese tuumareaktsiooni läbimise produktide jaotus võimaldab aga määrata emissiooni tõenäosust kiire suunanurgast, asustatud olekute selektiivsust ja määrata nende struktuuri.

Tasakaalueelne emissioon

Kui osake pärast esimest kokkupõrget tuuma interaktsiooni piirkonnast ei lahku, osaleb ta terves järjestikuste kokkupõrgete kaskaadis. See on tegelikult just see, mida nimetatakse tuuma ahelreaktsiooniks. Selle olukorra tulemusena jaotub osakese kineetiline energia tuuma koostisosade vahel. Tuuma enda seisund muutub järk-järgult palju keerulisemaks. Selle protsessi käigus saab teatud nukleon või terve klaster (nukleonide rühm) koondada energiat, mis on piisav selle nukleoni tuumast väljastamiseks. Edasine lõdvestumine viib statistilise tasakaalu moodustumiseni ja liittuuma moodustumiseni.

ahelreaktsioonid

Mis on tuuma ahelreaktsioon? See on tema järjestus koostisosad. See tähendab, mitu järjestikust singlit tuumareaktsioonid, mis on põhjustatud laetud osakestest, ilmuvad eelmistes etappides reaktsiooniproduktidena. Mis on tuuma ahelreaktsioon? Näiteks raskete tuumade lõhustumine, kui eelmiste lagunemiste käigus saadud neutronite poolt algatatakse mitu lõhustumist.

Tuuma ahelreaktsiooni tunnused

Kõigi seas keemilised reaktsioonid kette kasutatakse laialdaselt. Kasutamata sidemetega osakesed mängivad vabade aatomite või radikaalide rolli. Sellises protsessis nagu tuumaahelreaktsioon annavad selle toimumise mehhanismi neutronid, millel puudub Coulombi barjäär ja mis ergastavad tuuma neeldumisel. Kui vajalik osake ilmub söötmesse, siis põhjustab see järgnevate transformatsioonide ahela, mis jätkub seni, kuni kett kandeosakese kadumise tõttu katkeb.

Miks kandja on kadunud

Pideva reaktsiooniahela kandjaosakese kadumisel on ainult kaks põhjust. Esimene seisneb osakese neeldumises ilma sekundaarse osakese eraldumise protsessita. Teine on osakese lahkumine ahelprotsessi toetava aine mahu piirist.

Kahte tüüpi protsesse

Kui ahelreaktsiooni igas perioodis sünnib ainult üks kandjaosake, siis võib seda protsessi nimetada hargnemata. See ei saa kaasa tuua suures mahus energia vabanemist. Kui kandeosakesi on palju, nimetatakse seda hargnenud reaktsiooniks. Mis on tuuma ahelreaktsioon hargnemisega? Üks eelmises aktis saadud sekundaarosakestest jätkab varem alustatud ahelat, teised aga tekitavad uusi reaktsioone, mis samuti hargnevad. See protsess hakkab konkureerima protsessidega, mis viivad katkemiseni. Sellest tulenev olukord põhjustab konkreetseid kriitilisi ja piiravaid nähtusi. Näiteks kui katkestusi on rohkem kui puhtalt uusi ahelaid, siis on reaktsiooni isemajandav toime võimatu. Isegi kui see ergastatakse kunstlikult, sisestades teatud keskkonda vajaliku arvu osakesi, laguneb protsess aja jooksul (tavaliselt üsna kiiresti). Kui uute ahelate arv ületab katkemiste arvu, hakkab tuuma ahelreaktsioon levima kogu aines.

Kriitiline olukord

Kriitiline olek eraldab arenenud isemajandava ahelreaktsiooniga aine oleku piirkonna ja piirkonna, kus see reaktsioon on üldse võimatu. Seda parameetrit iseloomustab uute ahelate arvu ja võimalike katkestuste arvu võrdsus. Sarnaselt vaba kandjaosakese olemasoluga on kriitiline olek sellises loendis nagu "tuuma ahelreaktsiooni rakendamise tingimused" peamine element. Selle seisundi saavutamise võivad määrata mitmed võimalikud tegurid. Rasket elementi ergastab ainult üks neutron. Sellise protsessi nagu tuuma lõhustumise ahelreaktsiooni tulemusena toodetakse rohkem neutroneid. Seetõttu võib see protsess tekitada hargnenud reaktsiooni, kus neutronid toimivad kandjatena. Juhul, kui neutronite haaramise kiirus ilma lõhustumiseta või põgenemiseta (kadukiirus) kompenseeritakse kandeosakeste paljunemiskiirusega, toimub ahelreaktsioon statsionaarses režiimis. See võrdsus iseloomustab korrutustegurit. Ülaltoodud juhul on see võrdne ühega. Tänu sissejuhatusele energia vabanemise kiiruse ja korrutusteguri vahele on võimalik juhtida tuumareaktsiooni kulgu. Kui see koefitsient on suurem kui üks, areneb reaktsioon eksponentsiaalselt. Tuumarelvades kasutatakse kontrollimatuid ahelreaktsioone.

Tuuma ahelreaktsioon energias

Reaktori reaktsioonivõime määrab suur hulk selle südamikus toimuvaid protsesse. Kõik need mõjud määratakse nn reaktsioonivõime koefitsiendiga. Grafiitvarraste, jahutusvedelike või uraani temperatuurimuutuse mõju reaktori reaktsioonivõimele ja sellise protsessi nagu tuuma ahelreaktsiooni intensiivsusele iseloomustavad temperatuuri koefitsient(jahutusvedeliku jaoks, uraani jaoks, grafiidi jaoks). Samuti on sõltuvad omadused võimsuse, baromeetriliste indikaatorite ja auruindikaatorite jaoks. Tuumareaktsiooni säilitamiseks reaktoris on vaja muuta mõned elemendid teisteks. Selleks peate arvestama tuuma ahelreaktsiooni kulgemise tingimustega - aine olemasolu, mis on võimeline lagunemise ajal jagunema ja eraldama endast teatud arvu elementaarosakesi, mis selle tulemusena põhjustab ülejäänud tuumade lõhustumise. Selliste ainetena kasutatakse sageli uraan-238, uraan-235, plutoonium-239. Tuuma ahelreaktsiooni ajal lagunevad nende elementide isotoobid ja moodustuvad kaks või enam teist. keemilised ained. Selle protsessi käigus eralduvad niinimetatud "gamma" kiired, toimub intensiivne energia vabanemine, moodustub kaks või kolm neutronit, mis on võimelised reaktsioone jätkama. On aeglased neutronid ja kiired, sest selleks, et aatomi tuum laguneks, peavad need osakesed lendama teatud kiirusega.

Neutroni ja selle omaduste avastamine

Neutronite toimel toimuvad tuumareaktsioonid eriline koht tuumafüüsikas. Tänu sellele, et neutronil puudub elektrilaeng, tungib ta vabalt igasse aatomituuma ja põhjustab tuumareaktsioone. Mõelge kõigepealt neutroni omadustele.
Neutron avastati pärast Rutherfordi ennustust 1920. aastal.
Bethe ja Beckeri (1930) katsetes kiiritati berülliumi tuumasid α-osakestega ja registreeriti neutraalne kiirgus, mille olemust ei määratud.

α + Be → neutraalne kiirgus (mis?, γ?).

Joliot-Curie (1932) katsetes suunati α-osakesed berülliumi sihtmärgile ja seejärel parafiinile, et määrata neutraalse kiirguse olemus. Pärast parafiini sihtmärki täheldati prootonite vabanemist. Kogemuste skeem on näidatud allpool.

α + Be → parafiin → p

Registreeriti tagasilöögi prootonid Е р = 4,3 MeV. Tekkis küsimus: milliste osakeste toimel need tekkisid?
Kui need olid põhjustatud γ-kvantidest, siis γ-kvantide E γ energia oleks pidanud olema ~ 50 MeV. Sellise energiaga γ-kvante ei saanud sellest reaktsioonist tekkida.
Chadwick analüüsis neid katseid ja tegi ettepaneku, et reaktsiooni tulemusena eralduvad neutraalsed osakesed, mille mass on võrreldav prootoni massiga. Seejärel korraldas ta pilvekambris katse ja jälgis lämmastiku tagasilöögi tuumasid. Ta võrdles neid tulemusi Joliot-Curie katsete tulemustega, mille käigus registreeriti parafiinist tagasilöögiprootonid, ja määras selle neutraalse osakese massi energia jäävuse seaduste järgi.

ja hoogu

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

kus N on lämmastiku tuum; v 1 on neutraalse osakese kiirus pärast kokkupõrget; m 1 on neutraalse osakese mass. Selgus, et see on prootoni massi lähedal

Nii sai selgeks, et Joliot-Curie katsetes toimus reaktsioon, mille käigus eraldusid neutraalsed osakesed, neutronid:

α + 9 Be → 12 C+ n.

Kui nad tabasid parafiini, lõid nad välja tagasilöögiprootonid energiaga Ер = 4,3 MeV.

Mitmete katsetega saadud neutroni omadused on toodud allpool:
mass − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a.u. sööma.,
magnetmoment - μ n = -1,91 μ i,
spin − J = ћ/2,
eluiga − τ n = (10,61 ±0,16) min,
R.m.s. raadius − = (0,78 ± 0,18) 10 -2 fm2.

Tuumareaktsioonid ei anna mitte ainult uut teavet tuumajõudude olemuse ja omaduste kohta, vaid neid kasutatakse ka praktikas rahvamajandus ja sõjalistes asjades. See kehtib peamiselt tuumareaktsioonide kohta madala energiaga neutronite toimel.

11.4 Neutronallikad

Neutroniallikad on erinevad tuumareaktsioonid.

Riis. 88: Neutronite spekter.

1. Kasutatakse raadiumi segu berülliumiga (mõnikord polooniumi berülliumiga), kus reaktsioon toimub

α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.

Neutroni T kineetiline energia jaotub üle spektri
(joonis 88).
Ra lagunemisel tekivad α-osakesed energiaga 4,8 MeV ja 7,7 MeV. Nad reageerivad 9 Be-ga ja tekitavad neutronivoo. Neutronite energia levik on tingitud sellest, et erineva energiaga α-osakesed tekitavad erineva energiaga neutroneid. Süsiniku tuum 12 C moodustub põhi- ja ergastatud olekus.
Neutronite saagis on ~ 10 7 neutronit 1 g Ra kohta sekundis. Samal ajal kiirguvad γ-kiired.

2. Teised neutronite allikad on fototuumareaktsioonid (γ,n), mille käigus tekivad aeglased ja ühevärvilised neutronid.

γ + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.

Kasutatakse ThC" (208 Tl). See kiirgab γ-kvante Е γ ~ 2,62 MeV ja Е n ~ E p; T n ~20 keV.

3. Be fotodeintegratsioon footonite poolt energiaga E γ = 1,78 MeV

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

4. Neutronite emissioon kiirendatud deuteroonide toimel, mille reaktsioonis on E d = 16 MeV

2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.

E n = 4 MeV, väljund 10 6 neutronit sekundis.

5. Reaktsioon 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (jää raskest veest), i?n = 2,5 MeV.

6. Kiiritamine triitiumdeuteroonidega

2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.

Kuna see reaktsioon on eksotermiline, kiirendatakse gaaslahendustorudes deuterone energiani E d = 0,3 MeV. Tekivad monokromaatilised neutronid Е n ~ 14 MeV.
Seda neutroniallikat kasutatakse geoloogias.

7. Deuteroonide toimel toimuvates eemaldamisreaktsioonides E d ~ 200 MeV, n c
E n ~ 100 MeV.

11.5 Tuumareaktorid, tuumaahelreaktsioon

Kõige võimsam neutronite allikas on tuumareaktorid, seadmed, milles hoitakse kontrollitud lõhustumisahelreaktsiooni.
Reaktoris toimub U tuumade lõhustumine ja tekivad neutronid, mille Е n on 0 kuni 13 MeV, allika intensiivsus on 10 19 neutronit/s cm2. Lõhustumisprotsess kulgeb neutronite mõjul, mis Coulombi potentsiaalbarjääri puudumise tõttu vabalt tuumadesse tungivad.
Tuuma lõhustumisel tekivad radioaktiivsed killud ja eraldub 2-3 n, mis jälle reageerivad U tuumadega; toimub ahelprotsess (joonis 89).

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

Riis. 89: 235U tuuma lõhustumise illustratsioon.

235 U lõhustumise protsessi kirjeldamiseks kasutatakse vedelikutilga mudelit, milles töötab Weizsäckeri valem. Pärast seda, kui neutron tabab uraani tuuma, tekib konkurents uue tuuma pinnaenergia ja Coulombi tõukeenergia vahel. Selle tulemusena jaguneb tuum Coulombi jõudude toimel kaheks kergemaks tuumaks.
Tuuma lõhustumise käigus vabanev energia Q (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

arvutatakse Weizsäckeri valemi abil

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

Q (MeV) \u003d -4,5A 2/3 + 0,26 Z 2 A -1/3, ε - spetsiifiline sidumisenergia: E St / A. Tuuma jaoks 235 U Q = 180 MeV.

Selleks, et tuum jaguneks, tuleb sinna viia energia E > E a, kus E a 90: Potentsiaalne energia tuum sõltuvalt kaugusest tuuma keskpunktist (tahke kõver), E 0 on põhiolek, E 0 + E a on ergastatud olek, E a on aktiveerimisenergia
(joonis 90).
Tuumade lõhustumisvõime mõõt on prootonite Coulombi tõrjumise energia ja pindpinevuse energia suhe:

kus Z 2 /A on lõhustumise parameeter, mida suurem see on, seda lihtsam on tuum jaotada; Z 2 /A = 49 jagamisparameetri kriitiline väärtus.
Tuuma lõhustumise protsessi illustratsioon on näidatud joonisel fig. 91.
Tuumareaktoris kordub tuuma lõhustumise protsess palju kordi mitme põlvkonna lõhustumise tulemusena. Esimesel 235 U lõhustumisel tekib keskmiselt 2,4 neutronit. Ühe põlvkonna eluiga on ~ 10 s. Kui on K põlvkonna sünd, siis ~ 2 K neutronit tekib ~ 2·10 -6 s pärast. Kui K = 80, on neutronite arv 2 80 ~ 10 24 - selle tulemuseks on 10 24 aatomi (140 g uraani) lõhustumine. Sel juhul vabanev energia, 3·10 13 W, võrdub 1000 tonni nafta põletamisel tekkiva energiaga.

Riis. 91: Tuumareaktoris toimuv tuuma lõhustumise protsess.

Lõhustumisreaktsioonides vabaneb energia soojuse kujul. Soojuse eemaldamine reaktorist toimub jahutusvedeliku abil, millele on kehtestatud erinõuded. Sellel peaks olema kõrge soojusmahtuvus, nõrgalt neutroneid neelduv ja madal keemiline aktiivsus. Me ei aruta disainifunktsioonid tuumareaktori elemendid. Märgime ainult, et kui termilised neutronid tabavad 235 U tuuma, tekivad kiired neutronid ja reaktsioon kulgeb ainult aeglastel neutronitel. Seetõttu on vaja kiireid neutroneid aeglustada. See juhtub moderaatoris. Moderaatorina kasutatakse süsinikku või rasket vett. Lõhustumisprotsessi peatamine toimub kaadmiumi tuumade abil, mis püüavad kinni tekkinud neutronid. Seega sisaldab tuumareaktori konstruktsioon tingimata neutronite moderaatorit (süsinik) ja kaadmiumi vardaid, mis neelavad tekkinud neutronid.
Reaktorites kasutatakse looduslikku uraani 238U (99,3%) ja rikastatud 235U (0,7%). 235 U jaguneb termiliste neutronite toimel. 238 U kasutatakse kiirneutronreaktorites.
Reaktoris toimuvaid protsesse iseloomustavad järgmised tõenäosused:
ν on genereeritud kiirete neutronite arv;
ε on kiirete neutronite korrutustegur;
P on tõenäosus, et neutron jõuab soojusenergiani;
ƒ on neutronite kinnipüüdmise tõenäosus aeglustuse ajal;
σ t /σ tot on lõhustumisreaktsiooni käivitamise tõenäosus.

Nende tõenäosuste korrutis annab hinnangu termiliste neutronite korrutustegurile k tuumareaktoris:

Ahelreaktsioon läheb edasi, kui k > 1; korrutusteguris sisalduvad suurused on järgmiste väärtustega: ν = 2,47; e = 1,02; P = 0,89; ƒ = 0,88; σt /σtot = 0,54.
Seega k ∞ = 1,07 lõpmatute mõõtmetega reaktori puhul. Reaalsetes tingimustes eff< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
Kiiretes neutronreaktorites (239 Pu ja 238 U) toimub järgmine protsess:

Selle reaktsiooni tulemusena reprodutseeritakse 239 Pu. Saadud plutoonium reageerib neutroniga: tekib n + 239 Pu, ν = 2,41 neutronit.
239 Ri tuumade arv kahekordistub iga 7-10 aasta järel.
Aatomituumade lõhustumisreaktsiooni kasutatakse aatomienergia tootmiseks. Tuumareaktorid töötavad paljudes tuumaelektrijaamades.

11.6 Fusioonireaktsioonid, kergete tuumade süntees

Teine aatomienergia allikas võib olla kergete aatomituumade süntees. Kerged tuumad on vähem tihedalt seotud ja kui nad ühinevad raskeks tuumaks, vabaneb rohkem energiat. Lisaks on termotuumareaktsioonid puhtamad, kuna puuduvad kaasnevad radioaktiivsed heitmed kui lõhustumise ahelreaktsioonid.
Termotuumaenergia saamiseks võib kasutada järgmisi termotuumasünteesi reaktsioone:

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

Reaktsiooni sisenevate tuumade energia peab olema piisav, et ületada Coulombi potentsiaalbarjäär. Joonisel fig. 92 näitab mõne reaktsiooni ristlõigete energiasõltuvust. Nagu jooniselt näha, on kõige eelistatavam deuteeriumi d ja triitium t tuumade süntees. Selles fusioonireaktsioonis on Coulombi potentsiaalbarjäär madal ja interaktsiooni ristlõige on ühinevate tuumade madalate energiate korral suur. Reaktsiooni kulgemiseks on vajalik nende tuumade piisav kontsentratsioon ruumalaühiku kohta ja piisav kuumutatud plasma temperatuur.
Liituvate sündmuste R ab ajaühikus mahuühikus määratakse seosega

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

kus n a , n b on tuumade a, b arv; σ ab on reaktsiooni efektiivne ristlõige, v ab on osakeste suhteline kiirus plasmas, Т on temperatuur. Reaktsiooni tulemusena vabaneb energia

W = Rab Qab τ,

kus R ab on ühinevate sündmuste arv, Q ab on 1 sündmusega vabanev energia, τ on aeg.
Olgu n a \u003d n b \u003d 10 15 tuuma / cm 3, T = 100 keV. Siis W ~ 10 3 W/cm 3 s.
Isemajandavas termotuumareaktsioonis peab vabanema rohkem energiat, kui kulub plasma soojendamiseks ja piiramiseks. Kulud n a = n b = 2n osakeste kuumutamisel temperatuurini T: 3n·kT: k - Boltzmanni konstant. Seega peab olema täidetud järgmine tingimus:

n 2 w ab Q ab τ > 3nkТ

(eralduv energia > kütteenergia).
Lawson sõnastas d + t fusioonireaktsiooni jaoks järgmise tingimuse:

nτ > 10 14 s cm-3,

kus nτ on säilitusparameeter. Joonisel fig. 93 näitab selle parameetri sõltuvust temperatuurist. Reaktsioon kulgeb edasi, kui nτ > ƒ(T). Temperatuur T ~ 2·10 8 K vastab 10 keV energiale. Retentsiooniparameetri nτ = 10 14 s/cm 3 minimaalne väärtus reaktsioonil d + t saavutatakse temperatuuril 2 10 8 K.

Riis. 93: Hoidmisparameetrite sõltuvus temperatuurist. Varjutatud ala ƒ(Т) on kontrollitud termotuumasünteesi tsoon reaktsiooni d + t jaoks. − 1980. aastaks erinevates rajatistes saavutatud parameetrite väärtused.

Muude reaktsioonide jaoks:

Plasma piiramine, millel on vajalikud tingimused reaktsiooni kulgemiseks rakendatakse magnetvälja kasutavates Tokamaki tüüpi paigaldistes. Sellised rajatised töötavad Venemaal ja paljudes teistes riikides. Nagu näha jooniselt fig. 93, ei ole kontrollitud termotuumasünteesi režiimi veel saavutatud.
Termotuumasünteesiks vajalikke tingimusi üritatakse saavutada laserseadmete abil. Sel juhul surutakse laserkiirgusega igast küljest kokku väike kogus, mis sisaldab deuteeriumi ja triitiumi tuumasid. Sel juhul kuumutatakse deuteeriumi ja triitiumi tuumad soovitud temperatuurini. Laserfusioon nõuab 100-kordse teguri kasutuselevõttu, sest laseri pumpamiseks kulub palju kasutut energiat.
Katsed teostada kontrollitud termotuumasünteesi laboritingimustes seisavad silmitsi mitmete raskustega.

1. 1. Seni ei ole olnud võimalik saavutada kõrge temperatuuriga plasma stabiilset režiimi.
2. 2. Energiakaod plasmas on suured isegi suure Z-ga aatomite lisandite madala kontsentratsiooni tõttu.
3. 3. Tokamaki "esimese seina probleem", mis piirab reaktori plasmat, ei ole lahendatud (neutronivoog hävitab selle).
4. 4. Looduses ei leidu radioaktiivset triitiumi t poolestusajaga T 1/2 = 12,5 aastat, seega tekib reaktsioonis triitiumi taastootmise probleem.

n + 7 Li = α + t + n.

Siiani ei ole olnud võimalik neid raskusi ületada ja saada kontrollitud termotuumasünteesi reaktsiooni.
AT vivo termotuumasünteesi reaktsioonid toimuvad päikesel ja tähtedes.

Kirjandus

1. 1. Širokov Yu.M., Yudin N.P. Tuumafüüsika. -M.: Nauka, 1972.
2. 2. Kapitonov I.M. Sissejuhatus tuuma- ja osakeste füüsikasse. -M.: UPPS, 2002.

USE kodifitseerija teemad: tuumareaktsioonid, tuumade lõhustumine ja ühinemine.

Eelmises lehel rääkisime korduvalt aatomituuma jagunemisest selle koostisosadeks. Aga kuidas seda tegelikkuses saavutada? Mille tulemusena füüsikalised protsessid kas sa suudad tuuma murda?

Radioaktiivse lagunemise vaatlused muutuvates keskkonnatingimustes – nimelt erinevatel rõhkudel ja temperatuuridel, elektri- ja magnetväljad- näitas, et radioaktiivse lagunemise kiirus nendest tingimustest ei sõltu. Kõik need tegurid ei suuda põhjustada keemiliste elementide muutumist üksteiseks. Ilmselgelt on siinsed energiamuutused liiga väikesed, et aatomituuma mõjutada – seega ei suuda üle telliskivimaja puhuv tuul seda hävitada.

Kuid võite maja hävitada suurtükimürsk. Ja Rutherford otsustas 1919. aastal kasutada kõige võimsamaid "karpe", mis tol ajal saadaval olid. Need olid -osakesed, mille energia oli umbes 5 MeV at radioaktiivne lagunemine uraan. (Nagu mäletate, on need samad kestad, millega ta kaheksa aastat tagasi pommitas kuldfooliumilehte oma kuulsates katsetes, mis andsid aluse aatomi planeedimudelile.)

Tõsi, kulla muutumine teisteks keemilised elemendid neid katsetes ei täheldatud. Kulla tuum ise on väga tugev ja lisaks sisaldab see üsna palju prootoneid; need loovad tugeva Coulombi välja, mis tõrjub -osakest ja ei lase seda tuumale liiga lähedale. Kuid selleks, et tuuma murda, peab mürsk jõudma tuuma lähedale, et tuumajõud sisse lülitaksid! Noh, aeg suur hulk takistab prootoneid - äkki võtta kergem tuum, kus prootoneid on vähe?

Rutherford pommitas lämmastiku tuumasid ja viis selle tulemusel läbi esimese füüsika ajaloos tuumareaktsioon:

(1)

(1) paremal küljel näeme reaktsiooni saadused on hapniku isotoop ja prooton.

Selgus, et tuumareaktsioonide uurimiseks on vaja mürsuosakesi kõrge energia. See võimalus on antud kiirendid elementaarosakesed. Kiirenditel on looduslike "radioaktiivsete relvade" ees kaks suurt eelist.

1. Kiirendid võivad kiirendada mis tahes laetud osakesi. See kehtib eriti prootonite kohta, mida tuumade loomuliku lagunemise käigus ei teki. Prootonid on head, kuna neil on minimaalne laeng, mis tähendab, et nad kogevad sihttuumadest väikseimat Coulombi tõrjumist.

2. Kiirendid võimaldavad saavutada radioaktiivse lagunemise käigus α-osakeste energiast mitu suurusjärku suuremat energiat. Näiteks Suures Hadronipõrgutis kiirendatakse prootoneid mitme TeV energiani; see on miljon korda suurem kui 5 MeV Rutherfordi läbiviidud reaktsiooni (1) osakeste puhul.

Niisiis, kiirendit läbinud prootonite abil õnnestus 1932. aastal liitiumituum purustada (saades samal ajal kaks osakest):

(2)

Tuumareaktsioonid võimaldasid keemilisi elemente kunstlikult muuta.

Lisaks hakati reaktsiooniproduktides tuvastama uusi senitundmatuid osakesi. Näiteks kui samal 1932. aastal kiiritati berülliumi osakestega, avastati neutron:

(3)

Neutronid on märkimisväärselt sobivad tuumade lõhustamiseks: omamata elektrilaengut, tungivad nad vabalt tuuma sisse. (Samas ei ole vaja neutroneid kiirendada - aeglased neutronid tungivad tuumadesse kergemini. Selgub, et neutroneid tuleb isegi aeglustada ja seda tehakse neutronite läbilaskmisel tavalisest veest.) Niisiis, kui lämmastik on neutronitega kiiritamisel toimub järgmine reaktsioon:

(4)

Tuumareaktsiooni energiasaagis

Arutledes sidumisenergia üle, nägime, et tuumaprotsesside tulemusena ei jää osakeste süsteemi mass konstantseks. See omakorda toob kaasa asjaolu, et tuumareaktsiooni produktide kineetiline energia erineb algosakeste kineetilisest energiast.

Kõigepealt tuletame meelde, et massiosakese koguenergia on selle puhkeenergia ja kineetilise energia summa:

Laske tekkida tuumareaktsioon osakeste kokkupõrke tagajärjel, mille produktideks on osakesed ja:

(5)

Osakeste süsteemi koguenergia säilib:

(6)

Algosakeste kineetiline energia on . Reaktsiooniproduktide kineetiline energia on . energia väljund tuumareaktsioon on erinevus reaktsioonisaaduste ja algosakeste kineetilise energia vahel:

Alates (6) saame hõlpsalt:

(7)

If class="tex" alt="(!LANG:Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} energia vabanemisega rohkem algosakeste kineetiline energia. (7) näeme, et antud juhul reaktsioonisaaduste kogumass vähem

Kui , siis reaktsioon on energia neeldumisega: reaktsioonisaaduste kineetiline energia vähem algosakeste kineetiline energia. Sel juhul reaktsioonisaaduste kogumass rohkem algosakeste kogumass.

Seega ei tohiks mõisted "energia vabastamine" ja "imamine" segadust tekitada: need viitavad ainult kineetiline osakeste energia. Osakeste süsteemi koguenergia jääb loomulikult muutumatuks kõigis reaktsioonides.

1. Kasutades neutraalsete aatomite masside tabelit, leiame ja väljendame a. e.m (tuuma massi leidmiseks ärge unustage lahutada neutraalse aatomi massist elektronide massi).

2. Arvutame algosakeste massi, reaktsiooniproduktide massi ja leiame massivahe .

3. Korrutage ja saage MeV-des väljendatud väärtus.

Nüüd käsitleme üksikasjalikult energiasaagise arvutamist, kasutades kahte liitiumituumade pommitamise näidet: esiteks - prootonite, seejärel - osakeste abil.

Esimesel juhul on meil juba eespool mainitud reaktsioon (2):

Liitiumi aatomi mass on a. e. m. Elektroni mass on a. e. m. Lahutades aatomi massist selle kolme elektroni massi, saame liitiumi tuuma mass :

A. e. m.

Prootoni mass on a. e. m., nii et algosakeste mass:

A. e. m.

Liigume edasi reaktsiooniproduktide juurde. Heeliumi aatomi mass on a. e. m. Lahutage elektronide mass ja leidke heeliumi tuuma mass :

A. e. m.

Korrutades arvuga , saame reaktsioonisaaduste massi:

A. e. m.

Mass, nagu näeme, on vähenenud; see tähendab, et meie reaktsioon kulgeb energia vabanemisega. Massi erinevus:

A. e. m.

Vabanenud energia:

MeV.

Vaatame nüüd teist näidet. Kui liitiumi tuumad pommitatakse -osakestega, toimub järgmine reaktsioon:

(8)

Algtuumade massid on meile juba teada; jääb üle arvutada nende kogumass:

A. e. m.

Tabelist võtame boori aatomi massi (see võrdub a. e. m.); lahutage viie elektroni mass ja saate boori aatomi tuuma massi:

A. e. m.

Neutroni mass on a. e.m. Leidke reaktsioonisaaduste mass:

A. e. m.

Seekord on kaal tõusnud. class="tex" alt="(!LANG:(m_2 > m_1)"> !}, see tähendab, et reaktsioon kulgeb energia neeldumisega.

Massi erinevus on järgmine:

A. e. m.

Reaktsiooni energiasaagis:

MeV.

Seega neeldub MeV energia reaktsioonis (8). See tähendab, et reaktsioonisaaduste (boori ja neutroni tuumade) kogu kineetiline energia on MeV võrra väiksem kui algosakeste (liitiumi tuumad ja -osakesed) kogu kineetiline energia. Seega, et see reaktsioon põhimõtteliselt toimuks, peab algosakeste energia olema vähemalt MeV.

Tuuma lõhustumine

Pommitades uraani tuumasid aeglaste neutronitega, avastasid saksa füüsikud Hahn ja Strassmann elementide ilmumise keskosas. perioodiline süsteem: baarium, krüptoon, strontsium, rubiidium, tseesium jne. Nii see avastati tuuma lõhustumine uraan.

Joonisel fig. 1 näeme tuuma lõhustumise protsessi (pilt saidilt oup.co.uk). Neutroni hõivamisel jaguneb uraani tuum kaheks fragment ja eraldub kaks või kolm neutronit.

Riis. 1. Uraani tuuma lõhustumine

Fragmendid on perioodilisuse tabeli keskel olevate elementide radioaktiivsete isotoopide tuumad. Tavaliselt on üks fragmentidest suurem kui teine. Näiteks uraani pommitamise ajal võivad tekkida sellised fragmentide kombinatsioonid (nagu öeldakse, reaktsioon kulgeb järgmiselt kanalid).

Baarium ja krüptoon:

Tseesium ja rubiidium:

Ksenoon ja strontsium:

Igas sellises reaktsioonis vabaneb väga suur energia – suurusjärgus MeV. Võrrelge seda väärtust ülaltoodud reaktsiooni (2) energiasaagisega, mis on võrdne MeV-ga! Kust see energiahulk tuleb?

Alustame sellest, et suure hulga prootonite (tükkide) tõttu, mis on pakitud uraani tuuma, on tuuma laiendavad Coulombi tõukejõud väga suured. Tuumajõud suudavad muidugi veel hoida tuuma lagunemast, kuid võimas Coulombi faktor on valmis iga hetk oma sõna ütlema. Ja selline hetk saabub siis, kui neutron jääb tuuma kinni (joonis 2 – pilt saidilt investingreenenergy.com).

Riis. 2. Südamiku deformatsioon, vibratsioon ja purunemine

Lõksu jäänud neutron põhjustab tuuma deformatsiooni. Algavad tuuma kuju kõikumised, mis võivad muutuda nii intensiivseks, et tuum venib “hantliks”. Lühimaa tuumajõud, mis hoiavad koos väikest hulka maakitsuse naabernukleone, ei suuda toime tulla hantli poolte elektriliste tõukejõududega ja selle tulemusena tuum puruneb.

Killud hajuvad suure kiirusega – umbes valguse kiirusega. Nad võtavad ära enamus vabanenud energia (umbes MeV alates ).

Raskete tuumade lõhustumist saab tõlgendada meile juba teadaoleva tuuma spetsiifilise sidumisenergia sõltuvuse graafikust selle massiarvust (joonis 3).

Riis. 3. Raskete tuumade lõhustumine on energeetiliselt soodne

Värv tõstab esile piirkonna, kuhu spetsiifiline sidumisenergia jõuab suurim väärtus MeV/nukleon. See on kõige stabiilsemate tuumade piirkond. Sellest piirkonnast paremal väheneb spetsiifiline sidumisenergia uraani tuumas järk-järgult MeV / nukleonini.

Vähemstabiilsete tuumade muutumine stabiilsemateks on energeetiliselt soodne ja sellega kaasneb energia vabanemine. Uraani tuuma lõhustumise ajal, nagu näeme, suureneb spetsiifiline sidumisenergia ligikaudu MeV/nukleon; see energia eraldub lihtsalt lõhustumise käigus. Korrutades selle uraani tuumas olevate nukleonide arvuga, saame ligikaudu sama MeV väljundenergiast, nagu eespool mainitud.

Tuuma ahelreaktsioon

Kahe või kolme neutroni ilmumine uraani tuuma lõhustumise protsessis - kõige tähtsam fakt. Need "esimese põlvkonna" neutronid võivad tabada uusi tuumasid ja põhjustada nende lõhustumist; uute tuumade lõhustumise tulemusena tekivad "teise põlvkonna" neutronid, mis langevad järgmistesse tuumadesse ja põhjustavad nende lõhustumise; tekivad "kolmanda põlvkonna" neutronid, mis viivad järgmiste tuumade lõhustumiseni jne. Nii see läheb tuuma ahelreaktsioon, mille käigus vabaneb tohutult palju energiat.

Tuuma ahelreaktsiooni kulgemiseks on vajalik, et järgmise põlvkonna vabanevate neutronite arv ei oleks vähene vähem kui arv neutronid eelmises põlvkonnas. Väärtus

helistas neutronite korrutustegur. Seega toimub ahelreaktsioon tingimusel class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}

Klassi="tex" alt="(!LANG:k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} juhitamatu. Nii plahvatab aatomipomm.

Mis toimub tuumareaktorites kontrollitud korrutusteguriga lõhustumisahelreaktsioon . Kontrollitud ahelreaktsiooni ühtlane kulgemine tagatakse spetsiaalsete neutroneid neelavate juhtvardade sisestamisega reaktori südamikku (ehk piirkonda, kus reaktsioon toimub). Kui vardad on täielikult sisestatud, on nende neutronite neeldumine nii suur, et reaktsiooni ei toimu. Reaktori käivitamise ajal tõmmatakse vardad südamikust järk-järgult välja, kuni vabanev võimsus saavutab vajaliku taseme. Seda taset kontrollitakse hoolikalt ja selle ületamisel lülitatakse sisse seadmed, mis viivad juhtvardad tagasi südamikusse.

termotuumareaktsioon

Koos raskete tuumade lõhustumisreaktsiooniga osutub teatud mõttes ka vastupidine protsess energeetiliselt võimalikuks - kergete tuumade süntees, see tähendab kergete elementide tuumade sulandumist (asub alguses perioodilisustabel), et moodustada raskem tuum.

Selleks, et tuumade ühinemine saaks alata, tuleb need lähendada – et tuumajõud saaksid mängu. Sellise lähenemisviisi jaoks on vaja ületada tuumade Coulombi tõrjumine, mis suureneb järsult nendevahelise kauguse vähenemisega. See on võimalik ainult siis, kui tuumade kineetiline energia on väga kõrge, mis tähendab, et väga kõrgel temperatuuril (kümned ja sajad miljonid kraadid). Seetõttu nimetatakse tuumasünteesi reaktsiooni termotuumareaktsioon.

Termotuumareaktsiooni näitena toome deuteeriumi ja triitiumi tuumade (vesiniku rasked ja ülirasked isotoobid) ühinemisreaktsiooni, mille tulemusena moodustub heeliumi tuum ja neutron:

(9)

See reaktsioon kulgeb MeV-ga võrdse energia vabanemisega (proovige ise arvutusi teha ja saada see väärtus). Seda on palju, arvestades, et reaktsioonis osalevad ainult nukleonid! Tõepoolest, ühe nukleoni kohta vabastab reaktsioon (9) ligikaudu MeV energiat, samal ajal kui uraani tuuma lõhustumine vabastab "ainult" MeV nukleoni kohta.

Seega on termotuumareaktsioonid veelgi suurema energia allikaks kui tuuma lõhustumise reaktsioonid. Füüsikalisest vaatenurgast on see mõistetav: tuuma lõhustumise reaktsiooni energia on põhimõtteliselt kiirendatud fragmentide kineetiline energia. elektriline tõukejõud ja tuumasünteesi korral vabaneb energia nukleonide kiirenduse tulemusena üksteise suunas palju võimsamate jõudude toimel. tuumaenergia tõmbejõud.

Lihtsamalt öeldes vabaneb tuumade lõhustumisel elektrilise interaktsiooni energia ja tuumade sünteesi käigus tugeva (tuuma) vastasmõju energia.

Tähtede sisemuses saavutatakse temperatuurid, mis sobivad tuumade ühinemiseks. Päikese ja kaugete tähtede valgus kannab endas termotuumareaktsioonides eralduvat energiat – vesiniku tuumade sulandumisel heeliumi tuumadeks ja sellele järgneval heeliumi tuumade liitumisel perioodilise süsteemi keskosas paiknevate raskemate elementide tuumadesse. Termotuumasünteesi suund on näidatud joonisel fig. neli ; kergete tuumade süntees on energeetiliselt soodne, kuna on suunatud tuuma spetsiifilise sidumisenergia suurendamisele.

Riis. 4. Kergete tuumade süntees on energeetiliselt soodne

Plahvatuse ajal toimub kontrollimatu termotuumareaktsioon vesinikupomm. Kõigepealt plahvatab sisseehitatud aatompomm- vaja luua kõrge temperatuur termotuumaplahvatuse esimeses etapis. Kui pommi termotuumakütuses saavutatakse vajalik temperatuur, algavad termotuumasünteesi reaktsioonid ja toimub vesinikupommi enda plahvatus.

Kontrollitud termotuumareaktsiooni rakendamine on endiselt lahendamata probleem, mille kallal on füüsikud töötanud enam kui pool sajandit. Kui on võimalik saavutada termotuumasünteesi kontrollitud voog, siis on inimkonna käsutuses praktiliselt piiramatu energiaallikas. See on ülimalt oluline ülesanne praeguste ja tulevaste põlvkondade ees – meie planeedi nafta- ja gaasivarude ammendumise ähvardava väljavaate valguses.