Ydinreaktio. Ydinketjureaktio

Kemian tunneilla opit kemiallisista reaktioista, jotka johtavat molekyylien muuntumiseen. Kuitenkin atomit klo kemialliset reaktiotÄlä vaihda. Tarkastellaan nyt ns ydinreaktiot, jotka johtavat atomien muuntumiseen. Otetaan käyttöön joitain käytäntöjä:

Tässä X on alkuaineen symboli (kuten jaksollisessa taulukossa), Z on isotoopin ytimen varausnumero, A on isotooppiytimen massaluku.

Ydinpanoksen numero on protonien lukumäärä ytimessä, joka on yhtä suuri kuin alkuaineen lukumäärä jaksollisessa taulukossa. Ytimen massaluku on ytimeen saapuvien nukleonien (protonien ja neutronien) lukumäärä. Varaus- ja massaluvut - fyysisiä määriä, jotka eivät täsmää ytimen varauksen ja massan kanssa.

Esimerkiksi symboli tarkoittaa, että tämän hiiliatomin ytimen varausluku on 6 ja massaluku 12. On muitakin isotoopit esimerkiksi hiili. Tällaisen isotoopin ydin sisältää yhden neutronin lisää samalle määrälle protoneja (vertaa kuvia).

Rutherfordin ensimmäinen laboratorioydinreaktio eteni seuraavasti:

Typpiatomin ydin oli vuorovaikutuksessa a-hiukkasen (heliumatomin ytimen) kanssa. Tämä tuotti fluoriytimen, reaktion epästabiilin välituotteen. Ja sitten siitä muodostui happi- ja vetyytimiä, eli se tapahtui kemiallisen alkuaineen muuttaminen toiseksi.

Tämän tulosten perusteella ydinreaktio Tehdään seuraava taulukko.

Taulukon kennojen vertailusta voidaan nähdä, että massalukujen summat sekä varauslukujen summat ennen ja jälkeen ydinreaktion ovat pareittain yhtä suuret. Kokeet osoittavat sen se on totta kaikille ydinreaktioille Varauksen ja massalukujen säilymislaki: hiukkasten varaus- ja massamäärät ennen ja jälkeen ydinreaktion ovat yhtä suuret pareittain.

Suurin osa ydinreaktioista päättyy uusien ytimien muodostumisen jälkeen. On kuitenkin reaktioita, joiden tuotteet aiheuttavat uusia ydinreaktioita, ns ydinketjureaktiot. Esimerkki on uraani-235-ytimien fissioreaktio (katso kuva). Kun neutroni osuu uraaniytimeen, se hajoaa kahdeksi muuksi ytimeksi ja 2-3 uudeksi neutroniksi. Nämä neutronit osuvat muihin uraaniytimiin, ja ketjureaktio jatkuu. Tämä tilanne on ihanteellinen. Itse asiassa monet syntyvistä neutroneista lentävät ulos aineesta, eivätkä uraani voi siksi absorboida niitä.

Kuitenkin milloin korkea aste uraanin puhtaus, eli sen suurella massaosuudella, samoin kuin sen kompaktilla sijoittelulla, todennäköisyys neutronien sieppaamiseen viereiseen ytimeen kasvaa. Minimipaino radioaktiivinen aine jossa ketjureaktio tapahtuu, kutsutaan kriittinen massa. Puhtaalle uraani-235:lle tämä on useita kymmeniä kiloja. Hallitsematon ketjureaktio tapahtuu hyvin nopeasti, mikä johtaa räjähdykseen. Sen käyttöön rauhanomaisiin tarkoituksiin reaktio on tarpeen tehdä hallittavaksi, mikä saavutetaan erityisessä laitteessa - ydinreaktori(katso § 15).

Ydinreaktiot ovat luonnossa hyvin yleisiä. Esimerkiksi yli puolet jaksollisen taulukon elementeistä on radioaktiiviset isotoopit.

Neutronin ja sen ominaisuuksien löytäminen

Neutronien vaikutuksen alaiset ydinreaktiot miehittävät erityinen paikka ydinfysiikassa. Koska neutronilla ei ole sähkövarausta, se tunkeutuu vapaasti kaikkiin atomiytimiin ja aiheuttaa ydinreaktioita. Tarkastellaan ensin neutronin ominaisuuksia.
Neutroni löydettiin Rutherfordin vuonna 1920 tekemän ennustuksen jälkeen.
Bethen ja Beckerin (1930) kokeissa berylliumytimiä säteilytettiin α-hiukkasilla ja rekisteröitiin neutraalia säteilyä, jonka luonnetta ei selvitetty.

α + Be → neutraali säteily (mitä?, γ?).

Joliot-Curien kokeissa (1932) alfahiukkaset suunnattiin berylliumkohteeseen ja sitten parafiinikohteeseen neutraalin säteilyn luonteen määrittämiseksi. Parafiinikohteen jälkeen havaittiin protonien vapautumista. Kokeellinen suunnittelu on esitetty alla.

α + Be → parafiini → s

Havaittiin rekyyliprotoneja, joiden E p = 4,3 MeV. Heräsi kysymys: minkä hiukkasten vaikutuksesta ne muodostuivat?
Jos ne johtuivat γ-kvanteista, niin γ-kvantin E γ energian olisi pitänyt olla ~ 50 MeV. Sellaista energiaa omaavia y-kvantteja ei voitu ilmaantua esitetystä reaktiosta.
Chadwick analysoi näitä kokeita ja ehdotti, että reaktio tuotti neutraaleja hiukkasia, joiden massa oli verrattavissa protonin massaan. Seuraavaksi hän suoritti kokeen pilvikammiossa ja havaitsi typen rekyyliytimiä. Hän vertasi näitä tuloksia Joliot-Curie-kokeiden tuloksiin, joissa parafiinista havaittiin rekyyliprotoneja, ja määritti tämän neutraalin hiukkasen massan energian säilymisen lakien perusteella.

ja vauhtia

m1v = m1v1 + mpvp;

jossa N on typpiydin; v 1 on neutraalihiukkasen nopeus törmäyksen jälkeen; m 1 on neutraalihiukkasen massa. Se osoittautui lähellä protonin massaa

Siten kävi selväksi, että Joliot-Curien kokeissa tapahtui reaktio, jossa neutraaleja hiukkasia – neutroneja – vapautui:

α + 9 Be → 12 C+ n.

Kun he osuivat parafiiniin, ne tyrmäsivät rekyyliprotoneja energialla E p = 4,3 MeV.

Alla on esitetty lukuisista kokeista saadut neutronin ominaisuudet:
massa − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a. syödä.,
magneettinen momentti − μ n = −1,91 μ i,
spin − J = ћ/2,
käyttöikä − τ n = (10,61 ±0,16) min,
neliösäteen keskiarvo − = (0,78 ± 0,18) · 10-2 fm2.

Ydinreaktiot eivät ainoastaan tarjoa uutta tietoa ydinvoimien luonteesta ja ominaisuuksista, vaan niitä käytetään myös käytännössä kansallinen talous ja sotilasasioissa. Tämä koskee ensisijaisesti ydinreaktioita neutronien vaikutuksesta alhaisilla energioilla.

11.4 Neutronilähteet

Neutronilähteet ovat erilaisia ydinreaktioita.

Riisi. 88: Neutronispektri.

1. Käytetään radiumin seosta berylliumin kanssa (joskus polonium berylliumin kanssa), jossa reaktio tapahtuu

α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.

Neutronien kineettinen energia T jakautuu spektrille
(Kuva 88).
Ra:n hajoaminen tuottaa alfahiukkasia, joiden energia on 4,8 MeV ja 7,7 MeV. Ne reagoivat 9 Be:n kanssa ja synnyttävät neutronivuon. Neutronienergian leviäminen johtuu siitä, että erienergiset α-hiukkaset luovat erienergisiä neutroneja. Hiilen 12 C -ydin muodostuu pohja- ja viritystilassa.
Neutronisaanto ~ 10 7 neutronia per 1 g Ra sekunnissa. Samaan aikaan säteilee γ-säteitä.

2. Muita neutronien lähteitä ovat fotoydinreaktiot (γ,n), jotka tuottavat hitaita ja yksivärisiä neutroneja.

y + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.

ThC" (208 Tl) käytetään. Se emittoi γ-kvantteja, joiden E γ ~ 2,62 MeV ja E n ~ E r; T n ~20 keV.

3. Be:n valohajoaminen fotoneilla, joiden energia on E γ = 1,78 MeV

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

4. Neutronien emissio kiihdytettyjen deuteronien vaikutuksesta, kun E d = 16 MeV reaktiossa

2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.

E n = 4 MeV, lähtö 10 6 neutronia sekunnissa.

5. Reaktio 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (jää raskaasta vedestä), i0n = 2,5 MeV.

6. Säteilytys tritiumdeuteroneilla

2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.

Koska tämä reaktio on eksoterminen, deuteronit kiihtyvät energiaan Ed = 0,3 MeV kaasupurkausputkissa. Syntyy monokromaattisia neutroneja, joiden E n ~ 14 MeV.
Tätä neutronilähdettä käytetään geologiassa.

7. Hajotusreaktioissa deuteronien vaikutuksesta E d ~ 200 MeV, n c muodostuu raskaisiin ytimiin
E n ~ 100 MeV.

11.5 Ydinreaktorit, ydinketjureaktio

Tehokkain neutronien lähde on ydinreaktorit - laitteet, jotka ylläpitävät hallittua fissioketjureaktiota.
Reaktorissa tapahtuu U-ytimien fissio ja syntyy neutroneja, joiden E n on 0 - 13 MeV, lähteen intensiteetti on 10 19 neutronia/s cm2. Fissioprosessi tapahtuu neutronien vaikutuksesta, jotka tunkeutuvat vapaasti ytimiin Coulombin potentiaaliesteen puuttumisen vuoksi.
Kun ydin halkeaa, muodostuu radioaktiivisia fragmentteja ja vapautuu 2-3 n, jotka taas reagoivat U-ytimien kanssa; tapahtuu ketjuprosessi (kuva 89).

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

Riisi. 89: Kuva 235U-ydinjaosta.

235 U:n fissioprosessin kuvaamiseen käytetään nestepisaramallia, jossa Weizsäckerin kaava toimii. Sen jälkeen kun neutroni tulee uraaniytimeen, syntyy kilpailua uuden ytimen pintaenergian ja Coulombin hylkäysenergian välillä. Tämän seurauksena ydin jakautuu Coulombin voimien vaikutuksesta kahteen kevyempään ytimeen.
Ydinfission aikana vapautunut energia Q (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

lasketaan Weizsäckerin kaavalla

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

Q (MeV) = -4,5A 2/3 + 0,26·Z 2 A -1/3, ε – spesifinen sitoutumisenergia: E St /A. 235 ytimelle U Q = 180 MeV.

Jotta ydin hajoaisi, siihen on syötettävä energiaa E > E a, missä E a kuva. 90: Mahdollinen energia ytimet riippuen etäisyydestä ytimen keskustaan (kiinteä käyrä), E 0 - perustila, E 0 + E a - viritetty tila, E a - aktivaatioenergia
(Kuva 90).
Ytimen fissiokyvyn mitta on protonien Coulombin hylkimisenergian suhde pintajännityksen energiaan:

missä Z 2 /A on fissioparametri, mitä suurempi se on, sitä helpompi ydin on jaettu; Z 2 /A = 49 on jakoparametrin kriittinen arvo.
Kuvassa on esimerkki ydinfissioprosessista. 91.
Ydinreaktorissa ydinfissioprosessi toistuu monta kertaa useiden sukupolvien fissioprosessin seurauksena. Ensimmäisessä 235 U:n fissiovaiheessa syntyy keskimäärin 2,4 neutronia. Yhden sukupolven elinikä on ~ 10 s. Jos syntyy K sukupolvea, syntyy ~ 2 K neutronia ~ 2·10 -6 s kuluttua. Jos K = 80, neutronien lukumäärä on 2 80 ~ 10 24 - tämä johtaa 10 24 atomin fissioon (140 g uraania). Tässä tapauksessa vapautuva energia, 3·10 13 W, on yhtä suuri kuin energia, joka syntyy polttamalla 1000 tonnia öljyä.

Riisi. 91: Ydinreaktorissa tapahtuva ydinfissioprosessi.

Fissioreaktioissa energiaa vapautuu lämmön muodossa. Lämpöä poistetaan reaktorista jäähdytysnesteellä, jolle on asetettu erityisvaatimuksia. Sillä on oltava korkea lämpökapasiteetti, heikosti absorboiva neutroneja ja alhainen kemiallinen aktiivisuus. Älä keskustele suunnitteluominaisuuksia ydinreaktorin elementtejä. Huomaamme vain, että kun lämpöneutronit osuvat 235 U:n ytimeen, muodostuu nopeita neutroneja, ja reaktio tapahtuu vain hitaiden neutronien kanssa. Siksi on välttämätöntä hidastaa nopeita neutroneja. Tämä tapahtuu hidastimessa. Moderaattorina käytetään hiiltä tai raskasta vettä. Fissioprosessin pysäyttäminen saadaan aikaan kadmiumytimien avulla, jotka vangitsevat syntyneet neutronit. Siten ydinreaktorin suunnittelu sisältää välttämättä neutronien hidastimen (hiilen) ja kadmiumsauvoja, jotka absorboivat tuloksena olevia neutroneja.
Reaktoreissa käytetään luonnonuraania 238 U (99,3 %) ja rikastettua uraania 235 U (0,7 %). 235 U fissoituu lämpöneutronien vaikutuksesta. 238 U:ta käytetään nopeissa neutronireaktoreissa.
Reaktorissa tapahtuville prosesseille on tunnusomaista seuraavat todennäköisyydet:
ν on tuotettujen nopeiden neutronien lukumäärä;
ε – nopea neutronikerroin;
P on todennäköisyys, että neutroni saavuttaa lämpöenergian;
ƒ – neutronien sieppaamisen todennäköisyys moderointiprosessin aikana;
σ t /σ tot – fissioreaktion aiheuttamisen todennäköisyys.

Näiden todennäköisyyksien tulo antaa arvion lämpöneutronien kertoimesta k ydinreaktorissa:

Ketjureaktio tapahtuu, jos k > 1; Kertokertoimen arvoilla on seuraavat arvot: ν = 2,47; e = 1,02; P = 0,89; f = 0,88; σ t /σ tot = 0,54.
Siten k ∞ = 1,07 äärettömän kokoiselle reaktorille. Todellisissa olosuhteissa< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
Nopeissa neutronireaktoreissa (239 Pu ja 238 U) tapahtuu seuraava prosessi:

Tämän reaktion tuloksena syntyy 239 Pu:ta. Tuloksena oleva plutonium reagoi neutronin kanssa: n + 239 Pu, ν = 2,41 neutronia syntyy.
239 Ri-ytimen määrä kaksinkertaistuu 7-10 vuoden välein.
Atomiytimien fissioreaktiota käytetään atomienergian tuottamiseen. Ydinreaktorit toimivat monissa ydinvoimalaitoksissa.

11.6 Fuusioreaktiot, kevyiden ytimien synteesi

Toinen atomienergian lähde voi olla kevyiden atomiytimien fuusio. Kevyet ytimet ovat vähemmän tiukasti sitoutuneita, ja kun ne sulautuvat raskaaksi ytimeksi, vapautuu enemmän energiaa. Lisäksi lämpöydinreaktiot ovat puhtaampia, koska niitä ei ole radioaktiivista säteilyä kuin fissioketjureaktiot.
Seuraavia fuusioreaktioita voidaan käyttää lämpöydinenergian tuottamiseen:

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

Reaktioon tulevien ytimien energian on oltava riittävä Coulombin potentiaaliesteen voittamiseksi. Kuvassa Kuvassa 92 on esitetty joidenkin reaktioiden poikkileikkausten energiariippuvuus. Kuten kuvasta voidaan nähdä, deuterium d- ja tritium t -ytimien synteesi on edullisin. Tässä fuusioreaktiossa Coulombin potentiaalieste on alhainen ja vuorovaikutuksen poikkileikkaus on suuri sulautuvien ytimien alhaisilla energioilla. Jotta reaktio tapahtuisi, on välttämätöntä, että näitä ytimiä on riittävä pitoisuus tilavuusyksikköä kohti ja riittävä kuumennetun plasman lämpötila.
Fuusiotapahtumien R ab määrä aikayksikköä kohti tilavuusyksikössä määräytyy suhteella

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

missä n a, n b – ytimien lukumäärä a, b; σ ab on tehollinen reaktion poikkileikkaus, v ab on hiukkasten suhteellinen nopeus plasmassa, T on lämpötila. Reaktion seurauksena energiaa vapautuu

W = R ab ·Q ab ·τ,

missä R a on fuusiotoimien lukumäärä, Q ab on 1 aktissa vapautuva energia, τ on aika.
Olkoon n a = n b = 10 15 ydintä/cm 3, T = 100 keV. Sitten W ~ 10 3 W/cm 3 s.
Itseään ylläpitävässä lämpöydinreaktiossa energiaa täytyy vapautua enemmän kuin kuluu plasman lämmittämiseen ja sulkemiseen. Kustannukset n a = n b = 2n hiukkasen lämmittämisestä lämpötilaan T: 3n·kT: k on Boltzmannin vakio. Näin ollen seuraavan ehdon on täytyttävä:

n 2 ·w ab ·Q ab ·τ > 3nkТ

(vapautettu energia > lämmitysenergia).
Lawson muotoili seuraavan ehdon d+t-fuusioreaktiolle:

nτ > 10 14 s cm -3,

missä nτ on säilytysparametri. Kuvassa Kuva 93 esittää tämän parametrin riippuvuuden lämpötilasta. Reaktio tapahtuu, jos nτ > ƒ(T). Lämpötila T ~ 2·10 8 K vastaa 10 keV:n energiaa. Retentioparametrin nτ = 10 14 s/cm 3 minimiarvo d + t -reaktiolle saavutetaan lämpötilassa 2 10 8 K.

Riisi. 93: Retentioparametrien riippuvuus lämpötilasta. Varjostettu alue ƒ(T) on hallitun lämpöydinfuusion vyöhyke reaktiolle d + t. − Vuoteen 1980 mennessä eri asennuksissa saavutetut parametriarvot.

Muut reaktiot:

Plasman säilyttäminen tarvittavat ehdot reaktion tapahtumiseksi, toteutetaan Tokamak-tyyppisissä asennuksissa magneettikenttää käyttäen. Tällaisia laitoksia on Venäjällä ja useissa muissa maissa. Kuten kuvasta voidaan nähdä. 93, kontrolloitua lämpöydinfuusiojärjestelmää ei ole vielä saavutettu.
Lämpöydinfuusion tarvittavia olosuhteita yritetään saada laserjärjestelmien avulla. Tässä tapauksessa pieni tilavuus, joka sisältää deuterium- ja tritiumytimiä, puristuu joka puolelta lasersäteilyllä. Tässä tapauksessa deuterium- ja tritiumytimet kuumennetaan vaadittuun lämpötilaan. Laserfuusio vaatii 100:n kertoimen käyttöönottoa, koska Laserin pumppaamiseen kuluu paljon turhaa energiaa.
Yritykset suorittaa kontrolloitu lämpöydinfuusio laboratorio-olosuhteissa kohtaavat useita vaikeuksia.

1. Korkean lämpötilan plasman vakaata järjestelmää ei ole vieläkään ollut mahdollista saada.
2. Plasman energiahäviöt ovat suuria johtuen pienistä epäpuhtausatomien pitoisuuksista, joissa on suuri Z.
3. Tokamakin "ensimmäisen seinän ongelma", joka rajoittaa reaktorin plasmaa, ei ole ratkaistu (neutronivirtaus tuhoaa sen).
4. Luonnossa ei ole radioaktiivista tritiumia t, jonka puoliintumisaika T 1/2 = 12,5 vuotta, joten reaktiossa on ongelma tritiumin lisääntymisessä

n + 7 Li = α + t + n.

Tähän mennessä ei ole ollut mahdollista voittaa näitä vaikeuksia ja saada aikaan hallittua lämpöydinfuusioreaktiota.
SISÄÄN luonnolliset olosuhteet lämpöydinfuusioreaktiot tapahtuvat auringossa ja tähdissä.

Kirjallisuus

1. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Ydinfysiikka. -M.: Nauka, 1972.
2. Kapitonov I.M. Johdatus ydin- ja hiukkasfysiikkaan. -M.: UPPS, 2002.

Ydinreaktiot- nämä ovat prosesseja, jotka tapahtuvat ytimien törmäyksessä tai alkuainehiukkasia muiden ytimien kanssa, minkä seurauksena alkuperäisen ytimen kvanttitila ja nukleoninen koostumus muuttuvat ja reaktiotuotteiden joukkoon ilmaantuu uusia hiukkasia.

Tässä tapauksessa fissioreaktiot ovat mahdollisia, kun yhden atomin ydin jakautuu pommituksen seurauksena (esimerkiksi neutronien vaikutuksesta) kahteen eri atomien ytimeen. Fuusioreaktioiden aikana kevyet ytimet muuttuvat raskaammiksi.

Muut tutkijat ovat havainneet fluorin, natriumin, alumiinin jne. ytimien α-hiukkasten vaikutuksesta tapahtuvia muutoksia, joihin liittyy protonien päästö. Raskaiden alkuaineiden ytimet eivät muuttuneet. Ilmeisesti niiden suuri sähkövaraus ei sallinut alfahiukkasen päästä lähelle ydintä.

Ydinreaktio nopeilla protoneilla.

Ydinreaktion syntymiseksi hiukkaset on saatettava lähelle ydintä, mikä on mahdollista erittäin korkean energian omaaville hiukkasille (erityisesti positiivisesti varautuneille hiukkasille, jotka hylätään ytimestä). Tällainen energia (jopa 10 5 MeV) välitetään protoneille, deuteroneille ja muille hiukkasille varautuneissa hiukkaskiihdyttimissä. Tämä menetelmä on paljon tehokkaampi kuin säteilevien heliumytimien käyttäminen radioaktiivinen elementti(jonka energia on noin 9 MeV).

Ensimmäinen ydinreaktio nopeita protoneja käyttäen suoritettiin vuonna 1932. Litium oli mahdollista jakaa kahdeksi alfahiukkaseksi:

Ydinreaktiot neutronien kanssa.

Neutronien löytäminen oli käännekohta ydinreaktioiden tutkimuksessa. Varautumattomat neutronit tunkeutuvat vapaasti atomiytimiin ja aiheuttavat niiden muutoksia, esim.

Suuri italialainen fyysikko Enrico Fermi havaitsi, että hitaat neutronit (noin 10 4 eV) ovat tehokkaampia ydinmuunnosreaktioissa kuin nopeat neutropit (noin 10 5 eV). Siksi nopeat neutronit hidastuvat tavallisessa vedessä, joka sisältää suuren määrän vetyytimiä - protoneja. Hidastusvaikutus selittyy sillä, että kun saman massaiset pallot törmäävät, tapahtuu tehokkain energiansiirto.

Varauksen, massaluvun ja energian säilymisen lait.

Lukuisat kokeet erityyppisistä ydinvuorovaikutuksista ovat osoittaneet, että kaikissa tapauksissa poikkeuksetta vuorovaikutukseen osallistuvien hiukkasten kokonaissähkövaraus säilyy. Toisin sanoen ydinreaktioon tulevien hiukkasten kokonaissähkövaraus on yhtä suuri kuin reaktiotuotteiden kokonaissähkövaraus (kuten suljettujen järjestelmien varauksen säilymislain mukaan odotetaan). Lisäksi tavanomaisissa ydinreaktioissa (ilman antihiukkasten muodostumista) havaitaan ydinmassaluvun (eli nukleonien kokonaismäärän) säilyminen.

Tämän vahvistavat kaikki edellä mainitut reaktiot (reaktioyhtälöiden vasemmalla ja oikealla puolella olevien ytimien vastaavien kertoimien summat ovat yhtä suuret), katso taulukko.

Molemmat säilyttämislait koskevat myös ydinmuunnoksia, kuten radioaktiivista hajoamista.

Energian säilymislain mukaan kineettisen energian muutos ydinreaktion aikana on yhtä suuri kuin reaktioon osallistuvien ytimien ja hiukkasten lepoenergian muutos.

Reaktion energiatuotto on ytimien ja hiukkasten lepoenergioiden välinen erotus ennen ja jälkeen reaktion. Aiemmin sanotun mukaan ydinreaktion energiatuotto on myös yhtä suuri kuin reaktioon osallistuvien hiukkasten liike-energian muutos.

Jos ytimien ja hiukkasten kineettinen energia reaktion jälkeen on suurempi kuin ennen reaktiota, ne puhuvat energian vapautumisesta, muuten - sen absorptiosta. Jälkimmäinen tapaus tapahtuu, kun typpeä pommitetaan α-hiukkasilla, osa energiasta muunnetaan vasta muodostuneiden ytimien sisäiseksi energiaksi. Ydinreaktion aikana muodostuneiden heliumytimien kineettinen energia on 17,3 MeV suurempi kuin reaktioon tulleen protonin kineettinen energia.

Yhtenäisen valtiontutkinnon kodifioinnin aiheet: ydinreaktiot, ytimien fissio ja fuusio.

Edellisessä esitteessä puhuimme toistuvasti atomiytimen hajoamisesta sen osiin. Mutta miten tämä voidaan saavuttaa todellisuudessa? Minkä seurauksena fyysisiä prosesseja voiko ydin katketa?

Havainnot radioaktiivisesta hajoamisesta muuttuvissa ulkoisissa olosuhteissa - nimittäin eri paineissa ja lämpötiloissa, sähkö- ja magneettikentät- osoitti, että radioaktiivisen hajoamisen nopeus ei riipu näistä olosuhteista. Kaikki nämä tekijät eivät pysty aiheuttamaan kemiallisten alkuaineiden muutoksia toisiinsa. Ilmeisesti tässä energiamuutokset ovat liian pieniä vaikuttaakseen atomiytimeen - aivan kuten tiilitalon läpi puhaltava tuuli ei pysty tuhoamaan sitä.

Mutta voit tuhota talon tykistön kuori. Ja Rutherford päätti vuonna 1919 käyttää tehokkaimpia "kuoret", joita silloin oli saatavilla. Nämä olivat hiukkasia, joiden energia oli noin 5 MeV at radioaktiivinen hajoaminen uraani. (Kuten muistat, nämä ovat samoja ammuksia, joilla hän pommitti kultakalvoa kahdeksan vuotta sitten kuuluisissa kokeissaan, jotka saivat aikaan atomin planeettamallin.)

Totta, kullan muuttaminen toiseksi kemiallisia alkuaineita ei havaittu noissa kokeissa. Itse kultaydin on erittäin vahva ja sisältää myös melko paljon protoneja; ne luovat vahvan Coulombin kentän, joka hylkii hiukkasen ja estää sitä pääsemästä liian lähelle ydintä. Mutta ytimen rikkomiseksi ammuksen täytyy päästä niin lähelle ydintä, että ydinvoimat aktivoituvat! No kerran suuri määrä protonit ovat tiellä - ehkä meidän pitäisi ottaa kevyempi ydin, jossa on vähän protoneja?

Rutherford pommitti typpiytimiä ja saavutti sen seurauksena ensimmäisen fysiikan historian ydinreaktio:

(1)

Näemme kohdan (1) oikealla puolella reaktiotuotteet- hapen ja protonin isotooppi.

Kävi selväksi, että ydinreaktioiden tutkimiseen tarvitaan korkeaenergisiä ammushiukkasia. Tämä mahdollisuus on annettu kiihdyttimiä alkuainehiukkasia. Kiihdyttimillä on kaksi vakavaa etua verrattuna luonnollisiin "radioaktiivisiin aseisiin".

1. Kiihdyttimet voivat kiihdyttää mitä tahansa varautuneita hiukkasia. Tämä pätee erityisesti protoneihin, joita ei esiinny ytimien luonnollisen hajoamisen aikana. Protonit ovat hyviä, koska niissä on minimaalinen varaus, mikä tarkoittaa, että ne kokevat vähiten Coulombin hylkimistä kohdeytimistä.

2. Kiihdyttimet mahdollistavat useiden suuruusluokkien alfahiukkasten energiaa suurempien energioiden saavuttamisen radioaktiivisen hajoamisen aikana. Esimerkiksi Large Hadron Colliderissa protonit kiihdytetään useiden TeV:ien energioihin; tämä on miljoona kertaa enemmän kuin y-hiukkasten 5 MeV Rutherfordin suorittamassa reaktiossa (1).

Siten vuonna 1932 kiihdyttimen läpi kulkevien protonien avulla oli mahdollista hajottaa litiumydin (vastaanottaen kaksi hiukkasta):

(2)

Ydinreaktiot mahdollistivat kemiallisten alkuaineiden keinotekoisen muuntamisen.

Lisäksi reaktiotuotteista alettiin löytää uusia, aiemmin tuntemattomia hiukkasia. Esimerkiksi berylliumhiukkasten säteilytyksen aikana samassa vuonna 1932 löydettiin neutroni:

(3)

Neutronit ovat erinomaisia ytimien pilkkomiseen: ilman sähkövarausta ne tunkeutuvat vapaasti ytimeen. (Tässä tapauksessa neutroneja ei tarvitse kiihdyttää - hitaat neutronit tunkeutuvat ytimiin helpommin. Neutroneja, osoittautuu, on jopa hidastettava, ja tämä tapahtuu kuljettamalla neutroneja tavallisen veden läpi.) Eli kun typpi on neutroneilla säteilytettynä tapahtuu seuraava reaktio:

(4)

Ydinreaktion energiatuotto

Sitoutumisenergiasta puhuttaessa näimme, että ydinprosessien seurauksena hiukkasjärjestelmän massa ei pysy vakiona. Tämä puolestaan johtaa siihen, että ydinreaktion tuotteiden kineettinen energia eroaa alkuperäisten hiukkasten liike-energiasta.

Ensinnäkin muista, että massahiukkasen kokonaisenergia koostuu sen lepoenergiasta ja liike-energiasta:

Tapahtukoon ydinreaktio hiukkasten törmäyksen seurauksena, jonka tuotteet ovat hiukkasia ja:

(5)

Hiukkasjärjestelmän kokonaisenergia säilyy:

(6)

Alkuhiukkasten kineettinen energia on yhtä suuri kuin . Reaktiotuotteiden kineettinen energia on . Energian tuotanto ydinreaktio on ero reaktiotuotteiden ja alkuhiukkasten kineettisten energioiden välillä:

Kohdasta (6) saamme helposti:

(7)

If class="tex" alt="Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} energian vapautumisen kanssa lisää alkuperäisten hiukkasten kineettinen energia. Kohdasta (7) näemme, että tässä tapauksessa reaktiotuotteiden kokonaismassa Vähemmän

Jos , niin reaktio menee energian imeytymisen kanssa: reaktiotuotteiden kineettinen energia Vähemmän alkuperäisten hiukkasten kineettinen energia. Reaktiotuotteiden kokonaismassa tässä tapauksessa lisää alkuperäisten hiukkasten kokonaismassa.

Näin ollen termien "vapauttaminen" ja "absorptio" ei pitäisi aiheuttaa sekaannusta: ne viittaavat vain kineettinen hiukkasenergia. Hiukkasjärjestelmän kokonaisenergia pysyy luonnollisesti muuttumattomana kaikissa reaktioissa.

1. Käyttämällä neutraalien atomien massataulukkoa löydämme ja , ilmaistuna a. e.m. (ytimen massan löytämiseksi älä unohda vähentää elektronien massaa neutraalin atomin massasta).

2. Laskemme alkuhiukkasten massat, reaktiotuotteiden massat ja löydämme massaeron.

3. Kerro MeV:llä ilmaistu arvo.

Tarkastellaan nyt yksityiskohtaisesti energian tuoton laskemista käyttämällä kahta esimerkkiä litiumytimien pommituksesta: ensin protoneilla, sitten hiukkasilla.

Ensimmäisessä tapauksessa meillä on jo yllä mainittu reaktio (2):

Litiumatomin massa on a. e.m. Elektronin massa on yhtä suuri kuin a. e.m. Vähentämällä sen kolmen elektronin massa atomin massasta saadaan litiumytimen massa :

A.e.m.

Protonin massa on a. e.m., joten alkuperäisten hiukkasten massa on:

A.e.m.

Siirrytään reaktiotuotteisiin. Heliumatomin massa on a. e.m. Vähennä elektronien massa ja löydä heliumytimen massa :

A.e.m.

Kerromalla luvulla saadaan reaktiotuotteiden massa:

A.e.m.

Massa, kuten näemme, on vähentynyt; tämä tarkoittaa, että reaktiomme tapahtuu energian vapautuessa. Massaero:

A.e.m.

Vapautunutta energiaa:

MeV.

Katsotaanpa nyt toista esimerkkiä. Kun litiumytimiä pommitetaan hiukkasilla, reaktio tapahtuu:

(8)

Tiedämme jo alkuperäisten ytimien massat; Jäljelle jää vain laskea niiden kokonaismassa:

A.e.m.

Taulukosta otetaan booriatomin massa (se on yhtä suuri kuin a.m.u.); vähennä viiden elektronin massa ja saa booriatomin ytimen massa:

A.e.m.

Neutronin massa on a. e.m. Etsi reaktiotuotteiden massa:

A.e.m.

Tällä kertaa massa on kasvanut class="tex" alt="(m_2 > m_1)"> !}, eli reaktio tapahtuu energian absorption kanssa.

Massaero on yhtä suuri kuin:

A.e.m.

Reaktion energian saanto:

MeV.

Siten MeV-energia absorboituu reaktiossa (8). Tämä tarkoittaa, että reaktiotuotteiden (booriytimien ja neutronien) kineettinen kokonaisenergia on MeV pienempi kuin alkuhiukkasten (litiumytimien ja -hiukkasten) kokonaiskineettinen energia. Siksi, jotta tämä reaktio tapahtuisi periaatteessa, alkuhiukkasten energian tulee olla vähintään MeV.

Ydinfissio

Saksalaiset fyysikot Hahn ja Strassmann löysivät elementtien esiintymisen keskiosassa pommittamalla uraaniytimiä hitailla neutroneilla. jaksollinen järjestelmä: barium, krypton, strontium, rubidium, cesium jne. Joten se löydettiin ydinfissio uraani.

Kuvassa 1 näemme ydinfissioprosessin (kuva oup.co.uk:sta). Sieppaamalla neutronin uraaniydin jakautuu kahtia kappale, ja tässä tapauksessa vapautuu kaksi tai kolme neutronia.

Riisi. 1. Uraaniytimen fissio

Fragmentit ovat alkuaineiden radioaktiivisten isotooppien ytimiä jaksollisen järjestelmän keskellä. Yleensä toinen fragmenteista on suurempi kuin toinen. Esimerkiksi uraania pommittaessa voi esiintyä tällaisia fragmenttien yhdistelmiä (kuten sanotaan, reaktio etenee seuraavasti kanavia).

Barium ja krypton:

Cesium ja rubidium:

Ksenon ja strontium:

Jokainen näistä reaktioista vapauttaa erittäin suurta energiaa - MeV:n luokkaa. Vertaa tätä arvoa yllä olevaan reaktion (2) energiasaantoon, joka on yhtä suuri kuin MeV! Mistä tämä määrä energiaa tulee?

Aloitetaan siitä, että uraaniytimeen pakattujen protonien (kappaleiden) suuren määrän vuoksi ytimen erilleen työntävät Coulombin hylkivät voimat ovat erittäin suuria. Ydinvoimat pystyvät tietysti edelleen pitämään ytimen rappeutumasta, mutta voimakas Coulombin tekijä on valmis sanomaan sanansa milloin tahansa. Ja sellainen hetki tulee, kun neutroni juuttuu ytimeen (kuva 2 - kuva investingreenenergy.com-sivustolta).

Riisi. 2. Ytimen muodonmuutos, tärinä ja repeämä

Loukkuun jäänyt neutroni aiheuttaa ytimen muodonmuutoksia. Alkaa ytimen muotoinen tärinä, joka voi muuttua niin voimakkaaksi, että ydin venyy "käsipainoksi". Lyhyen kantaman ydinvoimat, jotka pitävät yhdessä pienen määrän naapurinukleoneja kannaksessa, eivät selviä käsipainon puoliskojen sähköisen hylkimisen voimista, ja seurauksena ydin repeytyy.

Sirpaleet lentävät pois suurella nopeudella - lähellä valon nopeutta. He vievät sen pois suurin osa vapautunut energia (noin MeV alkaen ).

Raskaiden ytimien fissio voidaan tulkita jo tunnetun ytimen ominaissidosenergian riippuvuuden massaluvusta kuvaajan kannalta (kuva 3).

Riisi. 3. Raskaiden ytimien fissio on energeettisesti suotuisaa

Alue, jolle spesifinen sitoutumisenergia saavuttaa korkein arvo MeV/nukleoni. Tämä on stabiilimpien ytimien alue. Tämän alueen oikealla puolella spesifinen sitoutumisenergia pienenee vähitellen MeV/nukleoniin lähellä uraaniydintä.

Prosessi vähemmän stabiilien ytimien muuntamiseksi vakaammiksi on energeettisesti suotuisa ja siihen liittyy energian vapautumista. Kun uraanin ydin halkeaa, kuten näemme, spesifinen sitoutumisenergia kasvaa noin MeV/nukleoni; Tämä energia vapautuu tarkasti fissioprosessin aikana. Kun tämä kerrotaan uraaniytimen nukleonien lukumäärällä, saadaan suunnilleen sama MeV-energiatuotto kuin edellä mainittiin.

Ydinketjureaktio

Kahden tai kolmen neutronin ilmaantuminen uraaniytimen fission aikana tärkein tosiasia. Nämä "ensimmäisen sukupolven" neutronit voivat osua uusiin ytimiin ja aiheuttaa niiden fissiota; uusien ytimien fission seurauksena ilmaantuu "toisen sukupolven" neutroneja, jotka putoavat seuraaviin ytimiin ja aiheuttavat niiden fission; "kolmannen sukupolven" neutroneja ilmaantuu, mikä johtaa peräkkäisten ytimien fissioon jne. Näin se menee ydinketjureaktio, jonka aikana vapautuu valtava määrä energiaa.

Ydinketjureaktion tapahtumiseksi on välttämätöntä, että seuraavan sukupolven vapautuneiden neutronien määrä ei ole pienempi numero neutroneja sisään edellinen sukupolvi. Suuruus

nimeltään neutronien kerroin. Siten ketjureaktio tapahtuu ehdolla class="tex" alt="k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}

Jos kyseessä on class="tex" alt="k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} hallitsematon. Näin atomipommi räjähtää.

SISÄÄN ydinreaktoreita on tapahtumassa valvottu fissioketjureaktio kertoimella. Tasainen virtausohjattu ketjureaktio Varmistetaan viemällä reaktorin sydämeen (eli alueelle, jossa reaktio tapahtuu) erityisiä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Kun sauvat on asetettu kokonaan sisään, niiden neutronien absorptio on niin suuri, että reaktio ei tapahdu. Reaktorin käynnistyksen aikana sauvoja poistetaan asteittain sydämestä, kunnes vapautunut teho saavuttaa vaaditun tason. Tätä tasoa valvotaan tarkasti, ja jos se ylittyy, aktivoituvat laitteet, jotka työntävät ohjaussauvat takaisin ytimeen.

Termoydinreaktio

Raskaiden ytimien fissioreaktion ohella jossain mielessä päinvastainen prosessi on myös energeettisesti mahdollinen - kevyiden ytimien synteesi, eli kevyiden alkuaineiden ytimien fuusio (sijaitsee alussa jaksollinen järjestelmä) raskaamman ytimen muodostuessa.

Jotta ytimien fuusio voisi alkaa, ne on saatettava lähelle toisiaan - jotta ydinvoimat alkavat toimia. Tällaista lähentymistä varten on tarpeen voittaa ytimien Coulombin hylkiminen, joka kasvaa jyrkästi niiden välisen etäisyyden pienentyessä. Tämä on mahdollista vain erittäin korkealla ytimien kineettisellä energialla ja siksi erittäin korkeassa lämpötilassa (kymmeniä ja satoja miljoonia asteita). Siksi ydinfuusioreaktiota kutsutaan lämpöydinreaktio.

Esimerkkinä lämpöydinreaktiosta annamme deuterium- ja tritiumytimien (vedyn raskaat ja superraskaat isotoopit) fuusioreaktion, jonka seurauksena muodostuu heliumydin ja neutroni:

(9)

Tämä reaktio vapauttaa energiaa, joka on yhtä suuri kuin MeV (yritä tehdä laskelmat itse ja saada tämä arvo). Tämä on paljon, kun otetaan huomioon, että vain nukleonit ovat mukana reaktiossa! Itse asiassa nukleonia kohden reaktiossa (9) vapautuva energia on noin MeV, kun taas uraaniytimen fissio vapauttaa "vain" MeV per nukleoni.

Näin ollen lämpöydinreaktiot toimivat jopa enemmän energian lähteenä kuin ydinfissioreaktiot. Fysikaalisesta näkökulmasta tämä on ymmärrettävää: ydinfissioreaktion energia on pääasiassa kiihdytettyjen fragmenttien liike-energiaa. sähköinen hylkivät voimat, ja ydinfuusion aikana energiaa vapautuu nukleonien kiihtyvyyden seurauksena toisiaan kohti paljon tehokkaamman vaikutuksen alaisena. ydin vetovoimat.

Yksinkertaisesti sanottuna ydinfissio vapauttaa sähköisen vuorovaikutuksen energiaa ja ydinfuusio vapauttaa vahvan (ydin)vuorovaikutuksen energiaa.

Tähtien syvyyksissä saavutetaan ydinfuusion kannalta sopivat lämpötilat. Auringon ja kaukaisten tähtien valo kuljettaa energiaa, joka vapautuu lämpöydinreaktioissa - vetyytimien fuusiossa heliumytimiksi ja sitä seuraavasta heliumytimien fuusiosta raskaampien alkuaineiden ytimiin, jotka sijaitsevat jaksollisen järjestelmän keskiosassa. Termoydinfuusion suunta on esitetty kuvassa. 4; kevyiden ytimien synteesi on energeettisesti suotuisa, koska se on suunnattu ytimen ominaissidosenergian lisäämiseen.

Riisi. 4. Kevyiden ytimien fuusio on energeettisesti suotuisaa

Räjähdyksen aikana tapahtuu hallitsematon lämpöydinreaktio vetypommi. Sisäänrakennettu räjähtää ensin atomipommi- Tämä on välttämätöntä korkean lämpötilan luomiseksi lämpöydinräjähdyksen ensimmäisessä vaiheessa. Kun pommin lämpöydinpolttoaineessa saavutetaan vaadittu lämpötila, fuusioreaktiot alkavat ja itse vetypommi räjähtää.

Hallitun lämpöydinreaktion toteuttaminen on edelleen ratkaisematon ongelma, jonka parissa fyysikot ovat työskennelleet yli puoli vuosisataa. Jos on mahdollista saavuttaa kontrolloitu lämpöydinfuusion virtaus, ihmiskunnalla on käytettävissään käytännössä rajoittamaton energialähde. Tämä on erittäin tärkeä tehtävä, jotka kohtaavat nykyiset ja tulevat sukupolvet - planeettamme öljy- ja kaasuvarojen uhkaavan ehtymisen valossa.

Isomeerinen siirtymä

Katso myös: Portaali: Fysiikka

Ydinreaktio- uusien ytimien tai hiukkasten muodostumisprosessi ytimien tai hiukkasten törmäysten aikana. Ydinreaktion havaitsi ensimmäisen kerran Rutherford vuonna 1919 pommittaen typpiatomien ytimiä α-hiukkasilla; se havaittiin sekundaaristen ionisoivien hiukkasten ilmaantumisena kaasussa, joiden alue oli suurempi kuin α-hiukkasten alue ja jotka tunnistettiin protoneiksi. Myöhemmin tästä prosessista otettiin valokuvia pilvikammion avulla.

Vuorovaikutusmekanismin mukaan ydinreaktiot jaetaan kahteen tyyppiin:

reaktio yhdisteytimen muodostumisen kanssa on kaksivaiheinen prosessi, joka tapahtuu törmäyshiukkasten ei kovin korkealla kineettisellä energialla (noin 10 MeV asti).
sisällä tapahtuvia suoria ydinreaktioita ydinaika tarvitaan, jotta hiukkanen ylittää ytimen. Tämä mekanismi ilmenee pääasiassa pommittavien hiukkasten suurilla energioilla.

Jos törmäyksen jälkeen alkuperäiset ytimet ja hiukkaset säilyvät eikä uusia synny, niin reaktio on elastista sirontaa ydinvoimien alueella, johon liittyy vain hiukkasen ja kohdeytimen liike-energian ja liikemäärän uudelleenjakautuminen ja kutsutaan mahdollinen sironta .

Ydinreaktion mekanismit

Yhdistetty ydin

Niels Bohr kehitti teorian reaktiomekanismista yhdisteytimen muodostumiseen vuonna 1936 yhdessä ytimen pisaramallin teorian kanssa, ja se on nykyaikaisten käsitysten taustalla useimmista ydinreaktioista.

Tämän teorian mukaan ydinreaktio tapahtuu kahdessa vaiheessa. Alussa alkuperäiset hiukkaset muodostavat jälkeen väliytimen (komposiitti). ydinaika, eli aika, joka tarvitaan hiukkasen ylittämiseen ytimen läpi, joka on suunnilleen 10 -23 - 10 -21. Tässä tapauksessa yhdisteydin muodostuu aina viritetyssä tilassa, koska siinä on hiukkasen tuomaa ylimääräistä energiaa ytimeen yhdisteytimen nukleonin sitoutumisenergian muodossa ja osa sen liike-energiasta, joka on yhtä suuri kuin massaluvulla varustetun kohdeytimen ja järjestelmän hitauskeskipisteessä olevan hiukkasen kineettisen energian summa.

Herätysenergia

Vapaan nukleonin absorptiossa muodostuneen yhdisteytimen viritysenergia on yhtä suuri kuin nukleonin sitoutumisenergian ja osan sen liike-energiasta summa:

Useimmiten johtuu iso ero ytimen ja nukleonin massoissa on suunnilleen yhtä suuri kuin ydintä pommittavan nukleonin kineettinen energia.

Keskimäärin sitoutumisenergia on 8 MeV, joka vaihtelee syntyvän yhdisteytimen ominaisuuksien mukaan, mutta tietylle kohdeytimelle ja nukleonille tämä arvo on vakio. Pommittavan hiukkasen kineettinen energia voi olla mikä tahansa, esimerkiksi viritettäessä ydinreaktioita neutroneilla, joiden potentiaalilla ei ole Coulombin estettä, arvo voi olla lähellä nollaa. Siten sitoutumisenergia on yhdisteytimen pienin viritysenergia.

Reaktiokanavat

Siirtyminen virittymättömään tilaan voidaan suorittaa useilla tavoilla, ns reaktiokanavat. Tulevien hiukkasten ja ytimien tyypit ja kvanttitila ennen reaktion alkamista määritetään tulokanava reaktiot. Reaktion päättymisen jälkeen tuloksena oleva kokonaisuus reaktiotuotteet ja niiden kvanttitilat määräävät lähtökanava reaktiot. Reaktiolle on täysin tunnusomaista tulo- ja lähtökanavat.

Reaktiokanavat eivät riipu yhdisteytimen muodostumistavasta, mikä selittyy yhdisteytimen pitkällä eliniällä, vaan se näyttää "unottavan" miten se muodostui, joten yhdisteytimen muodostuminen ja hajoaminen voidaan pitää itsenäisinä tapahtumina. Se voidaan esimerkiksi muodostaa yhdisteytimenä viritetyssä tilassa jossakin seuraavista reaktioista:

Myöhemmin, mikäli viritysenergia on sama, tämä yhdisteydin voi hajota päinvastaisella tavalla kuin mikä tahansa näistä reaktioista tietyllä todennäköisyydellä, joka ei riipu tämän ytimen esiintymishistoriasta. Yhdistetyn ytimen muodostumisen todennäköisyys riippuu energiasta ja kohdeytimen tyypistä.

Suorat ydinreaktiot

Ydinreaktioiden kulku on mahdollista myös suoran vuorovaikutuksen mekanismin kautta, periaatteessa tällainen mekanismi ilmenee pommittavien hiukkasten erittäin korkeilla energioilla, kun ytimen nukleoneja voidaan pitää vapaina. Suorat reaktiot eroavat yhdisteydinmekanismista ensisijaisesti tuotehiukkasten liikemäärävektorien jakautumisen suhteen pommittavien hiukkasten liikemäärään. Toisin kuin yhdisteydinmekanismin pallosymmetria, suoralle vuorovaikutukselle on ominaista vallitseva reaktiotuotteiden lennon suunta eteenpäin suhteessa osuvien hiukkasten liikesuuntaan. Myös tuotehiukkasten energiajakaumat ovat näissä tapauksissa erilaisia. Suoralle vuorovaikutukselle on ominaista hiukkasten ylimäärä korkea energia. Törmäyksissä ytimien kanssa monimutkaiset hiukkaset(eli muut ytimet), nukleonien siirtymisprosessit ytimestä ytimeen tai nukleoninvaihto ovat mahdollisia. Tällaiset reaktiot tapahtuvat ilman yhdisteytimen muodostumista ja niillä on kaikki suoran vuorovaikutuksen piirteet.

Ydinreaktion poikkileikkaus

Reaktion todennäköisyys määräytyy niin sanotun ydinreaktion poikkileikkauksen mukaan. Laboratorion viitekehyksessä (jossa kohdeydin on levossa) vuorovaikutuksen todennäköisyys aikayksikköä kohti on yhtä suuri kuin poikkileikkauksen (ilmaistu pinta-alayksiköissä) ja osuvien hiukkasten vuon (ilmaistuna numeroina) tulo. pinta-alan ylittävien hiukkasten määrä aikayksikköä kohti). Jos yhdelle tulokanavalle voidaan toteuttaa useita lähtökanavia, niin lähtöreaktiokanavien todennäköisyyksien suhde on yhtä suuri kuin niiden poikkileikkausten suhde. Ydinfysiikassa reaktion poikkileikkaukset ilmaistaan yleensä erikoisyksiköinä - latoina, jotka ovat kooltaan 10 −24 cm².

Reaktiolähtö

Reaktiotapausten lukumäärä jaettuna kohdetta pommittavien hiukkasten lukumäärällä kutsutaan ydinreaktion tulos. Tämä arvo määritetään kokeellisesti kvantitatiivisilla mittauksilla. Koska saanto liittyy suoraan reaktion poikkileikkaukseen, saannon mittaaminen on olennaisesti reaktion poikkileikkauksen mittaamista.

Ydinreaktioiden säilymislait

Ydinreaktioissa kaikki klassisen fysiikan säilymislait täyttyvät. Nämä lait rajoittavat ydinreaktion mahdollisuutta. Energeettisestikin suotuisa prosessi osoittautuu aina mahdottomaksi, jos siihen liittyy jonkin luonnonsuojelulain rikkominen. Lisäksi on olemassa mikromaailmalle ominaisia säilyttämislakeja; jotkut niistä täyttyvät aina, sikäli kuin tiedetään (baryoniluvun säilymislaki, leptonluku); muut säilymislait (isospin, pariteetti, outous) vain tukahduttavat tiettyjä reaktioita, koska ne eivät täyty joihinkin perusvuorovaikutuksiin. Säilytyslakien seuraukset ovat niin sanotut valintasäännöt, jotka osoittavat tiettyjen reaktioiden mahdollisuuden tai kiellon.

Energian säilymisen laki

Jos , , , ovat kahden hiukkasen kokonaisenergiat ennen ja jälkeen reaktion, niin energian säilymislain perusteella:

Kun muodostuu enemmän kuin kaksi hiukkasta, termien lukumäärän tämän lausekkeen oikealla puolella tulisi vastaavasti olla suurempi. Hiukkasen kokonaisenergia on yhtä suuri kuin sen lepoenergia Mc 2 ja liike-energia E, Siksi:

Ero hiukkasten kokonaiskineettisten energioiden välillä reaktion "ulostulossa" ja "sisääntulossa" K = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) nimeltään reaktioenergiaa(tai reaktion energian saanto). Se täyttää ehdon:

kerroin 1/ c 2 jätetään yleensä pois laskettaessa energiatasapaino ilmaistaen hiukkasmassat energiayksiköissä (tai joskus energian massayksiköissä).

Jos K> 0, niin reaktioon liittyy vapaan energian vapautuminen ja sitä kutsutaan eksoenergeettinen , Jos K < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergeettinen .

Se on helppo nähdä K> 0, kun tuotehiukkasten massojen summa on pienempi kuin alkuhiukkasten massojen summa, eli vapaan energian vapautuminen on mahdollista vain vähentämällä reagoivien hiukkasten massoja. Ja päinvastoin, jos toissijaisten hiukkasten massojen summa ylittää alkuperäisten hiukkasten massojen summan, tällainen reaktio on mahdollista vain, jos tietty määrä kineettistä energiaa kulutetaan lepoenergian lisäämiseen, eli uusien hiukkasten massat. Kutsutaan kohtaavan hiukkasen kineettisen energian minimiarvoa, jolla endoenergeettinen reaktio on mahdollinen reaktioenergian kynnys. Endoenergeettisiä reaktioita kutsutaan myös kynnysreaktiot, koska niitä ei esiinny kynnyksen alapuolella olevilla hiukkasenergioilla.

Liikemäärän säilymisen laki

Hiukkasten kokonaisliikemäärä ennen reaktiota on yhtä suuri kuin reaktiotuotehiukkasten kokonaisliikemäärä. Jos , , , ovat kahden hiukkasen liikemäärävektorit ennen ja jälkeen reaktion, niin

Jokainen vektoreista voidaan mitata itsenäisesti kokeellisesti, esimerkiksi magneettispektrometrillä. Kokeelliset tiedot osoittavat, että liikemäärän säilymislaki pätee sekä ydinreaktioissa että mikrohiukkasten sirontaprosesseissa.

Liikemäärän säilymislaki

Ydinfuusioreaktio

Ydinreaktio synteesi- kahden atomiytimen fuusioprosessi uudeksi, raskaammaksi ytimeksi.

Uuden ytimen lisäksi fuusioreaktion aikana muodostuu yleensä myös erilaisia alkuainehiukkasia ja (tai) sähkömagneettisen säteilyn kvantteja.

Ilman ulkoisen energian syöttöä ytimien fuusio on mahdotonta, koska positiivisesti varautuneet ytimet kokevat sähköstaattisia hylkäysvoimia - tämä on niin kutsuttu "Coulombin este". Ytimen syntetisoimiseksi on tarpeen tuoda ne lähemmäksi noin 10–15 metrin etäisyyttä, jolla voimakkaan vuorovaikutuksen vaikutus ylittää sähköstaattisen hylkimisen voimat. Tämä on mahdollista, jos lähestyvien ytimien kineettinen energia ylittää Coulombin esteen.

Tällaisia ehtoja voi esiintyä kahdessa tapauksessa:

Jos aine kuumennetaan äärimmilleen korkeita lämpötiloja tähti- tai fuusioreaktorissa. Kineettisen teorian mukaan kineettinen energia aineen liikkuvat mikrohiukkaset (atomit, molekyylit tai ionit) voidaan esittää lämpötilan muodossa, ja siksi ainetta kuumentamalla voidaan saada aikaan ydinfuusioreaktio. Tässä tapauksessa he puhuvat lämpöydinfuusiosta tai lämpöydinreaktiosta.

Termoydinreaktio

Termoydinreaktio- kahden atomiytimen fuusio uudeksi, raskaammaksi ytimeksi niiden lämpöliikkeen kineettisen energian vuoksi.

Ydinfuusioreaktiossa alkuytimillä on oltava suhteellisen korkea kineettinen energia, koska ne kokevat sähköstaattista repulsiota, koska ne ovat positiivisesti varautuneita.

Ensinnäkin, niiden joukossa on huomattava vedyn kahden isotoopin (deuterium ja tritium) välinen reaktio, joka on hyvin yleinen maan päällä, jonka seurauksena heliumia muodostuu ja neutroni vapautuu. Reaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:

+ energia (17,6 MeV).

Vapautunut energia (johtuen siitä, että helium-4:llä on erittäin vahvat ydinsidokset) muuttuu kineettiseksi energiaksi, josta suurin osa, 14,1 MeV, kulkeutuu neutronien mukana kevyempänä hiukkasena. Tuloksena oleva ydin on tiukasti sidottu, minkä vuoksi reaktio on niin erittäin eksoenergeettinen. Tälle reaktiolle on ominaista alhaisin Coulombin esto ja korkea saanto, joten se on erityisen kiinnostava kontrolloidussa lämpöydinfuusiossa.

Fotoydinreaktio

Kun gamma-kvantti absorboituu, ydin saa ylimääräistä energiaa muuttamatta sen nukleonikoostumusta, ja ydin, jossa on ylienergiaa, on yhdisteydin. Kuten muutkin ydinreaktiot, gamma-kvantin absorptio ytimeen on mahdollista vain, jos tarvittavat energia- ja spin-suhteet täyttyvät. Jos ytimeen siirtyvä energia ylittää ytimessä olevan nukleonin sitoutumisenergian, niin muodostuvan yhdisteytimen hajoaminen tapahtuu useimmiten nukleonien, pääasiassa neutronien, emission yhteydessä. Tällainen hajoaminen johtaa ydinreaktioihin ja joita kutsutaan fotoydin, ja nukleonipäästöjen ilmiö näissä reaktioissa on ydinvoiman valosähköinen vaikutus.

Muut

Ydinreaktioiden tallentaminen

Ydinreaktiot kirjoitetaan erityisten kaavojen muodossa, joissa atomiytimien ja alkuainehiukkasten nimitykset löytyvät.

Ensimmäinen tapa ydinreaktioiden kaavojen kirjoittaminen on samanlaista kuin kemiallisten reaktioiden kaavojen kirjoittaminen, eli alkuperäisten hiukkasten summa kirjoitetaan vasemmalle, tuloksena olevien hiukkasten (reaktiotuotteiden) summa kirjoitetaan oikealle ja nuoli asetetaan heidän välillään.

Siten kadmium-113-ytimen neutronin säteilysieppauksen reaktio kirjoitetaan seuraavasti:

Näemme, että protonien ja neutronien määrä oikealla ja vasemmalla pysyy samana (baryoniluku säilyy). Sama koskee sähkövaraukset, leptonlukuja ja muita suureita (energia, liikemäärä, kulmamomentti, ...). Joissakin reaktioissa, joissa on mukana heikko vuorovaikutus, protonit voivat muuttua neutroneiksi ja päinvastoin, mutta niiden kokonaismäärä ei muutu.

Toinen tapa merkinnällä, joka on kätevämpi ydinfysiikassa, on muoto A (a, bcd...) B, Missä A- kohdeydin, A- pommittava hiukkanen (mukaan lukien ydin), b, c, d,…- säteilevät hiukkaset (mukaan lukien ytimet), SISÄÄN- jäännösydin. Kevyemmät reaktiotuotteet kirjoitetaan suluissa, raskaammat ulkopuolella. Siten yllä oleva neutronien sieppausreaktio voidaan kirjoittaa tähän muotoon.