Ydinreaktiot: yksinkertainen ja selkeä. Ydinreaktiot ja niiden päätyypit

– ytimen vuorovaikutusprosessi alkuainehiukkasen tai toisen ytimen kanssa, jonka aikana tapahtuu muutos ytimen rakenteessa ja ominaisuuksissa. Esimerkiksi emissio ytimestä alkuainehiukkasia, sen fissio, korkean energian fotonien emission ( gammasäteet). Yksi tuloksista ydinreaktiot on isotooppien muodostumista, joita ei ole olemassa luonnolliset olosuhteet maassa.

Ydinreaktioita voi tapahtua, kun atomeja pommitetaan nopeilla hiukkasilla ( protonit , neutroneja , ioneja , alfa-hiukkasia ).

Lisää hyödyllistä tietoa Tekijä: eri aiheista- Teleramissamme.

Ydinreaktiot

Yksi ensimmäisistä ihmisen suorittamista ydinreaktioista suoritettiin Rutherford V 1919 vuoden protonin havaitsemiseksi. Tuolloin ei vielä tiedetty, että ydin koostui nukleonit (protonit Ja neutroneja). Monien alkuaineiden halkeamisen aikana löydettiin hiukkanen, joka oli vetyatomin ydin. Kokeiden perusteella Rutherford teki oletuksen, että tämä hiukkanen on osa kaikkia ytimiä.

Tämä reaktio kuvaa tarkasti yhtä tiedemiehen kokeista. Kokeessa kaasu on korkeampi ( typpeä) pommitetaan alfa-hiukkasia (heliumytimiä), joka tyrmää typpiytimiä protoni , muuntaa sen hapen isotoopiksi. Tämän reaktion tallennus näyttää tältä:

Ratkaistaessa ongelmia, joihin liittyy ydinreaktioita, on muistettava, että niiden tapahtuessa seuraavat ehdot täyttyvät: klassisia lakeja tallentaa: veloittaa , kulmamomentti , impulssi Ja energiaa .

On myös baryon-maksun säilyttämislaki . Tämä tarkoittaa, että reaktioon osallistuvien nukleonien määrä pysyy ennallaan. Jos katsomme reaktiota, näemme, että määrät massaluvut (numero yllä) ja atomiluvut l (alhaalla) yhtälön oikealla ja vasemmalla puolella ovat samat.

Muuten! Nyt on alennus kaikille lukijoillemme 10% päällä .

Ytimen spesifinen sitoutumisenergia

Kuten tiedetään, yksi perustavanlaatuisista fysikaalisista vuorovaikutuksista toimii ytimen sisällä sen kokoluokan etäisyyksillä - vahva vuorovaikutus . Sen voittamiseksi ja ytimen "tuhoamiseksi" se on välttämätöntä suuri määrä energiaa.

Ydin sitova energia - vähimmäisenergia, joka tarvitaan atomin ytimen jakamiseen sen alkuainehiukkasiksi.

Minkä tahansa atomiytimen massa on pienempi kuin sen aineosien massa. Ero ytimen ja sen muodostavien nukleonien massojen välillä on ns massavika:

Numerot Z Ja N on helppo määrittää käyttämällä jaksolliset taulukot, ja voit lukea kuinka tämä tehdään. Sitoutumisenergia lasketaan kaavalla:

Ydinreaktioiden energia

Ydinreaktioihin liittyy energiamuutoksia. On olemassa määrä, jota kutsutaan reaktion energiasaatukseksi ja se määräytyy kaavan mukaan

Delta M – massavika, mutta tässä tapauksessa se on ydinreaktion alku- ja lopputuotteiden välinen massaero.

Reaktioita voi tapahtua sekä energian vapautuessa että sen imeytyessä. Tällaisia ​​reaktioita kutsutaan vastaavasti eksoterminen Ja endoterminen .
Vuotaa eksoterminen reaktio , seuraavan ehdon on täytyttävä: alkutuotteiden kineettisen energian on oltava suurempi kuin reaktion aikana muodostuneiden tuotteiden kineettinen energia.

Endoterminen reaktio mahdollista milloin spesifinen sitoutumisenergia alkutuotteiden nukleonit ovat pienempiä kuin lopputuotteiden ytimien spesifinen sitoutumisenergia.

Esimerkkejä ydinreaktioongelmien ratkaisemisesta

Ja nyt pari käytännön esimerkkiä ratkaisuineen:

Vaikka kohtaisit ongelman tähdellä, on syytä muistaa, että ratkaisemattomia ongelmia ei ole. Opiskelijapalvelu auttaa sinua suorittamaan minkä tahansa tehtävän.

Suhteellisuusteoria sanoo, että massa on erityinen muoto energiaa. Tästä seuraa, että massa on mahdollista muuntaa energiaksi ja energia massaksi. Intraatomisella tasolla tällaisia ​​reaktioita tapahtuu. Erityisesti tietty määrä itse massaa voidaan muuttaa energiaksi. Tämä tapahtuu useilla tavoilla. Ensinnäkin ydin voi hajota useiksi pienemmiksi ytimiksi, jota kutsutaan "hajoamiseksi". Toiseksi pienemmät ytimet voivat helposti yhdistyä suuremmaksi - tämä on fuusioreaktio. Tällaiset reaktiot ovat hyvin yleisiä universumissa. Riittää, kun sanotaan, että fuusioreaktio on energian lähde tähdille. Mutta ihmiskunta käyttää hajoamisreaktiota, koska ihmiset ovat oppineet hallitsemaan näitä monimutkaisia ​​prosesseja. Mutta mikä on ydinketjureaktio? Kuinka hallita sitä?

Mitä tapahtuu atomin ytimessä

Ydinketjureaktio on prosessi, joka tapahtuu, kun alkuainehiukkaset tai ytimet törmäävät muihin ytimiin. Miksi "ketju"? Tämä on joukko peräkkäisiä yksittäisiä ydinreaktioita. Tämän prosessin seurauksena alkuperäisen ytimen kvanttitilassa ja nukleonisessa koostumuksessa tapahtuu muutos, ja jopa uusia hiukkasia ilmestyy - reaktiotuotteita. Ydinketjureaktio, jonka fysiikka mahdollistaa ytimien vuorovaikutuksen mekanismien tutkimisen ytimien ja hiukkasten kanssa, on tärkein menetelmä uusien alkuaineiden ja isotooppien saamiseksi. Ymmärtääksesi ketjureaktion kulun, sinun on ensin käsiteltävä yksittäisiä reaktioita.

Mitä reaktioon tarvitaan

Ydinketjureaktion kaltaisen prosessin toteuttamiseksi on tarpeen tuoda hiukkaset (ydin ja nukleoni, kaksi ydintä) lähemmäksi vahvan vuorovaikutuksen säteen etäisyyttä (noin yksi Fermi). Jos etäisyydet ovat suuret, niin varattujen hiukkasten vuorovaikutus on puhtaasti Coulom. Ydinreaktiossa noudatetaan kaikkia lakeja: energian säilyminen, liikemäärä, liikemäärä, baryonivaraus. Ydinketjureaktiota merkitään symboleilla a, b, c, d. Symboli a tarkoittaa alkuperäistä ydintä, b saapuvaa hiukkasta, c uutta emittoitua hiukkasta ja d tarkoittaa tuloksena olevaa ydintä.

Reaktioenergia

Ydinketjureaktio voi tapahtua sekä absorption että energian vapautumisen yhteydessä, mikä on yhtä suuri kuin hiukkasten massojen ero reaktion jälkeen ja ennen sitä. Absorboitunut energia määrää minimin kineettinen energia törmäys, niin sanottu ydinreaktion kynnys, jossa se voi edetä vapaasti. Tämä kynnys riippuu vuorovaikutukseen osallistuvista hiukkasista ja niiden ominaisuuksista. Päällä alkuvaiheessa kaikki hiukkaset ovat ennalta määrätyssä kvanttitilassa.

Reaktion suorittaminen

Pääasiallinen varautuneiden hiukkasten lähde, joilla ydintä pommitetaan, on se, joka tuottaa protoneja, raskaita ioneja ja kevyitä ytimiä. Hitaita neutroneja tuotetaan ydinreaktoreiden avulla. Saapuvien varautuneiden hiukkasten havaitsemiseen voidaan käyttää erilaisia ​​ydinreaktioita - sekä fuusiota että hajoamista. Niiden todennäköisyys riippuu törmäävien hiukkasten parametreista. Tämä todennäköisyys liittyy sellaiseen ominaisuuteen kuin reaktion poikkileikkaus - tehollisen alueen arvo, joka luonnehtii ydintä sattuvien hiukkasten kohteena ja joka on mitta hiukkasen ja ytimen vuorovaikutuksen todennäköisyydestä. Jos reaktioon osallistuu hiukkasia, joiden spin-arvo ei ole nolla, niin poikkileikkaus riippuu suoraan niiden orientaatiosta. Koska osuvien hiukkasten spinit eivät ole täysin kaoottisesti orientoituneita, vaan enemmän tai vähemmän järjestettyjä, kaikki hiukkaset ovat polarisoituneita. Suunnattujen säteen spinien kvantitatiivinen ominaisuus kuvataan polarisaatiovektorilla.

Reaktiomekanismi

Mikä on ydinketjureaktio? Kuten jo mainittiin, tämä sarja on enemmän yksinkertaisia ​​reaktioita. Tulevan hiukkasen ominaisuudet ja sen vuorovaikutus ytimen kanssa riippuvat massasta, varauksesta ja liike-energiasta. Vuorovaikutuksen määrää törmäyksen aikana virittyneiden ytimien vapausaste. Kaikkien näiden mekanismien hallinnan saaminen mahdollistaa prosessin, kuten kontrolloidun ydinketjureaktion.

Suorat reaktiot

Jos varautunut hiukkanen osuu kohdeytimeen vain koskettaa sitä, törmäyksen kesto on yhtä suuri kuin se, joka tarvitaan ytimen säteen peittämiseen. Tätä ydinreaktiota kutsutaan suoraksi. Yleiset luonteenpiirteet kaikille tämän tyyppisille reaktioille on pienen määrän vapausasteiden heräte. Tällaisessa prosessissa hiukkasella on vielä ensimmäisen törmäyksen jälkeen tarpeeksi energiaa voittamaan ydinvoiman vetovoiman. Esimerkiksi vuorovaikutukset, kuten joustamaton neutronien sironta ja varauksenvaihto, luokitellaan suoriksi. Tällaisten prosessien osuus "kokonaispoikkileikkaukseksi" kutsuttuun ominaisuuteen on melko vähäinen. Suoran ydinreaktion tuotteiden jakauman avulla voidaan kuitenkin määrittää säteen suuntakulmasta poistumistodennäköisyys, asuttujen tilojen selektiivisyys ja niiden rakenne.

Esitasapainopäästöt

Jos hiukkanen ei poistu ydinvuorovaikutuksen alueelta ensimmäisen törmäyksen jälkeen, se on mukana koko sarjassa peräkkäisiä törmäyksiä. Tätä kutsutaan itse asiassa ydinketjureaktioksi. Tämän tilanteen seurauksena hiukkasen kineettinen energia jakautuu ytimen rakenneosien kesken. Itse ytimen tila tulee vähitellen monimutkaisemmaksi. Tämän prosessin aikana energiaa, joka riittää tämän nukleonin emissioon ytimestä, voidaan keskittää tiettyyn nukleoniin tai kokonaiseen klusteriin (nukleoniryhmään). Lisärelaksaatio johtaa tilastollisen tasapainon muodostumiseen ja yhdisteytimen muodostumiseen.

Ketjureaktiot

Mikä on ydinketjureaktio? Tämä on hänen sarjansa komponentit. Toisin sanoen varautuneiden hiukkasten aiheuttamat useat peräkkäiset yksittäiset ydinreaktiot ilmestyvät reaktiotuotteina aikaisemmissa vaiheissa. Mikä on ydinketjureaktio? Esimerkiksi raskaiden ytimien fissio, kun aiemmista hajoamisista saadut neutronit käynnistävät useita fissiotapahtumia.

Ydinketjureaktion piirteet

Kaikkien mukana kemialliset reaktiot Ketjut ovat yleistyneet. Hiukkaset, joissa on käyttämättömiä sidoksia, toimivat vapaina atomeina tai radikaaleina. Prosessissa, kuten ydinketjureaktiossa, mekanismin sen esiintymiselle tarjoavat neutronit, joilla ei ole Coulombin estettä ja jotka virittävät ytimen absorption yhteydessä. Jos väliaineeseen ilmaantuu välttämätön hiukkanen, se aiheuttaa myöhempien muutosten ketjun, joka jatkuu, kunnes ketju katkeaa kantajahiukkasen häviämisen vuoksi.

Miksi media on hukassa?

On vain kaksi syytä kantajahiukkasen häviämiseen jatkuvassa reaktioketjussa. Ensimmäinen on hiukkasen absorptio ilman prosessia, joka emittoi toissijaista. Toinen on hiukkasen poistuminen ketjuprosessia tukevan aineen tilavuusrajan yli.

Kahden tyyppinen prosessi

Jos jokaisessa ketjureaktion jaksossa syntyy yksinomaan yksi kantajahiukkanen, tätä prosessia voidaan kutsua haaroittumattomaksi. Se ei voi johtaa energian vapautumiseen suuressa mittakaavassa. Jos useita kantajahiukkasia ilmaantuu, sitä kutsutaan haarautuneeksi reaktioksi. Mikä on haarautuva ydinketjureaktio? Yksi edellisessä näytöksessä saaduista sekundäärihiukkasista jatkaa aiemmin aloitettua ketjua, mutta toiset luovat uusia reaktioita, jotka myös haarautuvat. Katkoon johtavat prosessit kilpailevat tämän prosessin kanssa. Tuloksena oleva tilanne aiheuttaa erityisiä kriittisiä ja rajoittavia ilmiöitä. Esimerkiksi, jos katkoksia on enemmän kuin puhtaasti uusia ketjuja, reaktion itsensä ylläpitäminen on mahdotonta. Vaikka se viritetään keinotekoisesti tuomalla tarvittava määrä hiukkasia tiettyyn ympäristöön, prosessi kuitenkin laantuu ajan myötä (yleensä melko nopeasti). Jos uusien ketjujen määrä ylittää katkosten määrän, ydinketjureaktio alkaa levitä kaikkialle aineeseen.

Kriittinen tila

Kriittinen tila erottaa aineen tilan alueen, jossa on kehittynyt itseään ylläpitävä ketjureaktio, ja alueen, jossa tämä reaktio on mahdotonta. Tälle parametrille on tunnusomaista uusien piirien määrän ja mahdollisten katkosten lukumäärän välinen yhtäläisyys. Kuten vapaan kantajahiukkasen läsnäolo, kriittinen tila on pääasia sellaisessa luettelossa kuin "ydinketjureaktion olosuhteet". Tämän tilan saavuttaminen voidaan määrittää useilla mahdollisilla tekijöillä. raskaan alkuaineen virittää vain yksi neutroni. Ydinfissioketjureaktioksi kutsutun prosessin seurauksena neutroneja syntyy enemmän. Näin ollen tämä prosessi voi tuottaa haarautuneen reaktion, jossa neutronit toimivat kantajina. Siinä tapauksessa, että neutronien sieppausnopeus ilman fissiota tai emissiota (häviönopeus) kompensoidaan kantajahiukkasten lisääntymisnopeudella, ketjureaktio etenee paikallaan. Tämä yhtäläisyys luonnehtii lisääntymiskerrointa. Yllä olevassa tapauksessa se on yhtä suuri kuin yksi. Energian vapautumisnopeuden ja kertoimen välisen johdon ansiosta on mahdollista hallita ydinreaktion kulkua. Jos tämä kerroin on suurempi kuin yksi, reaktio kehittyy eksponentiaalisesti. Ydinaseissa käytetään hallitsemattomia ketjureaktioita.

Ydinketjureaktio energiassa

Reaktorin reaktiivisuuden määräävät monet sen sydämessä tapahtuvat prosessit. Kaikki nämä vaikutukset määräytyvät ns. reaktiivisuuskertoimella. Grafiittisauvojen, jäähdytysaineiden tai uraanin lämpötilan muutosten vaikutukselle reaktorin reaktiivisuuteen ja prosessin, kuten ydinketjureaktion, voimakkuuteen on tunnusomaista lämpötilakerroin(jäähdytysnesteelle, uraanille, grafiitille). Teho-, barometriset- ja höyryilmaisimia varten on myös riippuvaisia ​​ominaisuuksia. Ydinreaktion ylläpitämiseksi reaktorissa on välttämätöntä muuttaa jotkin alkuaineet toisiksi. Tätä varten on tarpeen ottaa huomioon olosuhteet ydinketjureaktion esiintymiselle - sellaisen aineen läsnäolo, joka pystyy hajoamisen aikana jakamaan ja vapauttamaan itsestään tietyn määrän alkuainehiukkasia, mikä sen seurauksena , aiheuttaa muiden ytimien fissiota. Uraani-238, uraani-235 ja plutonium-239 käytetään usein tällaisina aineina. Ydinketjureaktion aikana näiden alkuaineiden isotoopit hajoavat ja muodostavat kaksi tai useampia muuta kemialliset aineet. Tämän prosessin aikana säteilee niin sanottuja "gammasäteitä", tapahtuu voimakasta energian vapautumista ja muodostuu kaksi tai kolme neutronia, jotka pystyvät jatkamaan reaktiotoimia. On olemassa hitaita ja nopeita neutroneja, koska atomin ytimen hajoamiseksi näiden hiukkasten täytyy lentää tietyllä nopeudella.

matalalla (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 MeV) energiat. Erot tehdään kevyissä ytimissä (kohdeytimet A< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
minä ydin voi tapahtua, jos siihen osallistuvat kaksi hiukkasta lähestyvät ytimen halkaisijaa pienemmällä etäisyydellä (n. 10-13 cm), eli etäisyydellä, jolla ytimen sisäisen vuorovaikutuksen voimat vaikuttavat. ytimen muodostavien nukleonien välillä. Jos molemmat mukana olevat ydinhiukkaset - pommittava ydin ja kohdeydin - ovat positiivisesti varautuneita, hiukkasten lähestyminen estyy kahden positiivisen hylkivällä voimalla. latauksia, ja pommittavan hiukkasen on voitettava ns. Coulombin potentiaalieste. Tämän esteen korkeus riippuu pommittavan hiukkasen varauksesta ja kohdeytimen varauksesta. Ytimelle, joka vastaa arvolla avg. arvot , ja pommittamalla hiukkasia varauksella +1, esteen korkeus on n. 10 MeV. Jos ydinprosessiin osallistuvat hiukkaset, joilla ei ole varausta (), Coulombin potentiaaliestettä ei ole olemassa ja ydinreaktiot voivat edetä hiukkasten, joilla on lämpöenergia(eli lämpövärähtelyjä vastaava energia).
Mahdollisuus, että ydinytimiä ei synny kohdeytimien pommituksen seurauksena sattuvien hiukkasten toimesta, vaan kiinteässä aineessa tai pinnalla sijaitsevien ytimien ultravoimakkaasta konvergenssista (eli ytimien lähestymisestä ytimen halkaisijaa vastaavilla etäisyyksillä) (esimerkiksi ytimien osallistuessa, liuenneena); Toistaiseksi (1995) ei ole olemassa luotettavia tietoja tällaisen ydinvoiman ("kylmä lämpöydinfuusio") toteuttamisesta.
minä ydinaineisiin sovelletaan samoja yleisiä luonnonlakeja kuin tavalliseen kemiaan. r-tion (ja energian, varauksen säilymisen, liikemäärän). Lisäksi ydinreaktioiden aikana esiintyy myös tiettyjä spesifisiä vaikutuksia. lakeja, jotka eivät näy kemiassa. p-tiot, esimerkiksi baryonivarauksen säilymislaki (baryonit ovat raskaita).
Ydinytimet voidaan kirjoittaa esimerkissä Pu-ytimien muuttumisesta Ku-ytimiksi, kun plutoniumkohdetta säteilytetään ytimillä:

Tästä tietueesta käy selvästi ilmi, että vasemman ja oikean puolen varausten summat (94 + 10 = 104) ja summat (242 + 22 = 259 + 5) ovat keskenään yhtä suuret. Koska kemiallinen symboli elementti osoittaa selvästi sen. numero (ydinvaraus), niin hiukkasvarauksen ydinarvoja kirjoitettaessa niitä ei yleensä ilmoiteta. Ydinvoimat kirjoitetaan useammin lyhyemmin. Siten 14 C:n tuman muodostuminen 14 N ytimien säteilytyksen aikana kirjataan seuraavasti. tapa: 14 N(n, p) 14 C.
Suluissa merkitään ensin pommittava hiukkanen tai kvantti, sitten pilkuilla erotettuna tuloksena olevat valohiukkaset tai kvantit. Tämän tallennusmenetelmän mukaisesti (n, p), (d, p), (n, 2n) ja muut ydinaineet.
Kun samat hiukkaset törmäävät, ydinhiukkaset voivat erota. tavoilla. Esimerkiksi kun alumiinikohdetta säteilytetään, jälkiä voi esiintyä. ydin: 27 A1(n,) 28 A1, 27 A1(n, n) 27 A1, 27 A1(n, 2n) 26 A1, 27 A1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na ja jne. Törmäävien hiukkasten kokoelmaa kutsutaan. Ydintulokanava ja sen seurauksena syntyneet hiukkaset muodostavat lähtökanavan.
minä ydinreaktioita voi tapahtua energian Q vapautuessa ja imeytyessä. Jos sisään yleisnäkymä kirjoita ydin muotoon A(a, b)B, niin tällaiselle ydinenergialle on yhtä suuri kuin: Q = [(M A + M a) - (M b + M b)] x c 2, missä M on ydinhiukkasten massa mukana; c on valon nopeus. Käytännössä on kätevämpää käyttää deltaM-arvoja (katso), silloin Q:n laskentalauseke on muotoa: ja mukavuussyistä se ilmaistaan ​​yleensä kiloelektronivolteina (keV, 1 amu = 931501,59 keV = 1,492443 x 10 -7 kJ).
Ydinenergian mukana tuleva energian muutos voi olla 10 6 kertaa tai enemmän suurempi kuin kemiallisissa reaktioissa vapautuva tai absorboitunut energia. r-tions. Siksi ydinvoiman aikana vuorovaikutuksessa olevien ytimien massojen muutos tulee havaittavaksi: vapautuva tai absorboitunut energia on yhtä suuri kuin ydinhiukkasten massojen summien erotus ennen ja jälkeen ydintä. Mahdollisuus vapauttaa valtavia määriä energiaa ydinvoiman toteuttamisen aikana on ydinvoiman perusta (katso). Ydinreaktioihin osallistuvien hiukkasten energioiden välisten suhteiden sekä niiden kulmien välisten suhteiden tutkimus, joissa tuloksena olevat hiukkaset lentävät erilleen, muodostaa ydinfysiikan haaran - ydinreaktioiden kinematiikkaa.

Ydinvoimat, eli ydinhiukkasten lukumäärän suhde kohteen pinta-alayksikköä (1 cm2) kohti putoavien hiukkasten määrään ei yleensä ylitä 10-6-10-3. Ohuille kohteille (yksinkertaisesti ohutta kohdetta voidaan kutsua kohteeksi, sen läpi kulkiessaan pommittavien hiukkasten virtaus ei heikkene merkittävästi) ydinsaanto on verrannollinen 1 cm 2 kohdepinnalle putoavien hiukkasten lukumäärään. kohteen 1 cm 2:n sisältämien ytimien lukumäärä ja myös tehollisen ydinpoikkileikkauksen arvo. Jopa käytettäessä niin voimakasta sattuvien hiukkasten lähdettä ydinreaktorina, tunnin sisällä on yleensä mahdollista saada vain muutama. mg sisältää uusia ytimiä. Yleensä yhdessä tai toisessa ydinlaitoksessa saadun aineen massa on huomattavasti pienempi.

Pommittavat hiukkaset. Ydinreaktioiden suorittamiseen käytetään n, p, deuteronit d, tritonit t, hiukkasia, raskaita (12 C, 22 Ne, 40 Ar jne.), e kvantteja. Lähteitä (katso) ydinvoimaa suoritettaessa ovat: metalliseokset. Ole ja sopiva emitteri, esim. 226 Ra (ns. ampullilähteet), neutronigeneraattorit, ydinreaktorit. Koska useimmissa tapauksissa ydinvoimalat ovat korkeampia matalilla energioilla (lämpö), niin ennen kuin virtaus ohjataan kohteeseen, niitä yleensä hidastetaan käyttämällä ja muita materiaaleja. Hitaiden perustekijöiden tapauksessa. Lähes kaikkien ytimien prosessi on säteilyn sieppaus - ydintyyppi, koska ytimen Coulombin este estää hiukkasten karkaamisen. Vaikutuksen alaisena tapahtuu ketjuvirtoja.
Jos sitä käytetään pommittavina hiukkasina, deuteroneina jne., jotka kuljettavat positiivisia. pommittava hiukkanen kiihdytetään suuriin energioihin (kymmenistä MeV satoihin GeV:iin) käyttämällä hajoamista. kiihdyttimiä. Tämä on välttämätöntä, jotta varautunut hiukkanen voi ylittää Coulombin potentiaaliesteen ja päästä säteilytettyyn ytimeen. Säteilytettäessä kohteita positiivisesti varautuneilla hiukkasilla, max. Ydinsaanto saavutetaan deuteroneilla. Tämä johtuu siitä, että sitoutumisenergia deuteronissa on suhteellisen pieni, ja vastaavasti etäisyys ja välillä on suuri.
Kun deuteroneja käytetään pommihiukkasina, vain yksi nukleoni tunkeutuu usein säteilytettyyn ytimeen - tai deuteronin ytimen toinen nukleoni lentää pidemmälle, yleensä samaan suuntaan kuin tuleva deuteroni. Korkeat tehokkaat poikkileikkaukset voidaan saavuttaa suorittamalla ydinkokeita deuteronien ja kevyiden ytimien välillä suhteellisen pienillä osuvien hiukkasten energioilla (1-10 MeV). Siksi ydinytimiä, joissa on mukana deuteroneja, voidaan suorittaa paitsi käyttämällä kiihdyttimellä kiihdytettyjä deuteroneja, myös kuumentamalla vuorovaikutuksessa olevien ytimien seos noin lämpötilaan. 10 7 K. Tällaisia ​​ydinvoimaloita kutsutaan lämpöydinaseiksi. SISÄÄN luonnolliset olosuhteet niitä esiintyy vain tähtien syvyyksissä. Maapallolla lämpöydinvoimat sisältävät

Pitkän aikaa ihmistä ahdistivat unelmat elementtien keskinäisestä muutoksesta - tarkemmin sanottuna muutoksesta. erilaisia ​​metalleja yhdeksi. Kun ymmärsimme näiden yritysten turhuuden, perustettiin näkemys kemiallisten alkuaineiden loukkaamattomuudesta. Ja vasta ytimen rakenteen löytö 1900-luvun alussa osoitti, että alkuaineiden muuttuminen toisikseen on mahdollista - mutta ei kemiallisin menetelmin, eli vaikuttamalla atomien ulkoisiin elektronikuoreihin, vaan häiritsemällä. atomiytimen rakenteen kanssa. Tällainen ilmiö (ja jotkut muut) liittyvät ydinreaktioihin, joista esimerkkejä käsitellään jäljempänä. Mutta ensin meidän on muistettava joitain peruskäsitteitä, joita tarvitaan tämän keskustelun aikana.

Ydinreaktioiden yleinen käsite

On ilmiöitä, joissa yhden tai toisen alkuaineen atomin ydin on vuorovaikutuksessa toisen ytimen tai jonkin alkuainehiukkasen kanssa, eli se vaihtaa energiaa ja liikemäärää niiden kanssa. Tällaisia ​​prosesseja kutsutaan ydinreaktioksi. Niiden seurauksena voi olla muutos ytimen koostumuksessa tai uusien ytimien muodostuminen tiettyjen hiukkasten emission kanssa. Tässä tapauksessa seuraavat vaihtoehdot ovat mahdollisia:

• kääntää yhden kemiallinen alkuaine toiselle;
• synteesi, eli ytimien fuusio, jossa muodostuu raskaamman alkuaineen ydin.

Reaktion alkuvaihetta, joka määräytyy siihen tulevien hiukkasten tyypin ja tilan mukaan, kutsutaan sisääntulokanavaksi. Lähtökanavat ovat mahdollisia polkuja, joita pitkin reaktio etenee.

Ydinreaktioiden kirjaamista koskevat säännöt

Alla annetut esimerkit osoittavat menetelmiä, joilla on tapana kuvata reaktioita, joissa on mukana ytimiä ja alkuainehiukkasia.

Ensimmäinen menetelmä on sama kuin kemiassa käytetty: alkuperäiset hiukkaset sijoitetaan vasemmalle puolelle ja reaktiotuotteet oikealle puolelle. Esimerkiksi beryllium-9-ytimen vuorovaikutus sattuvan alfahiukkasen kanssa (ns. neutronien löytämisreaktio) kirjoitetaan seuraavasti:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Ylemmat indeksit osoittavat nukleonien lukumäärän eli ytimien massaluvut, alemmat indeksit osoittavat protonien lukumäärän eli atomiluvut. Vasemman ja oikean puolen summien on oltava samat.

Fysiikassa usein käytetty lyhyt tapa kirjoittaa ydinreaktioyhtälöitä näyttää tältä:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Tämän merkinnän yleinen muoto on: A (a, b 1 b 2 ...) B. Tässä A on kohdeydin; a - sattuva hiukkanen tai ydin; b 1, b 2 ja niin edelleen ovat kevyitä reaktiotuotteita; B on viimeinen ydin.

Ydinreaktioiden energia

Ydinmuunnoksissa energian säilymislaki täyttyy (yhdessä muiden säilymislakien kanssa). Tällöin hiukkasten kineettinen energia reaktion tulo- ja lähtökanavissa voi vaihdella lepoenergian muutoksista johtuen. Koska jälkimmäinen vastaa hiukkasten massaa, myös massat ennen ja jälkeen reaktion ovat erilaisia. Mutta järjestelmän kokonaisenergia säilyy aina.

Reaktioon tulevien ja siitä poistuvien hiukkasten välistä lepoenergian eroa kutsutaan energiantuotoksi ja ilmaistaan ​​niiden liike-energian muutoksena.

Prosesseissa, joissa on ytimiä, liittyy kolmenlaisia ​​perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia - sähkömagneettisia, heikkoja ja voimakkaita. Jälkimmäisen ansiosta ytimellä on niin tärkeä ominaisuus kuin suuri sitoutumisenergia sen aineosien välillä. Se on huomattavasti korkeampi kuin esimerkiksi ytimen ja atomielektronien välillä tai atomien välillä molekyyleissä. Tämän todistaa havaittava massavika - nukleonimassan summan ja ydinmassan välinen ero, joka on aina sitoutumisenergiaan verrannollinen määrä: Δm = Eb /c 2. Massavika lasketaan yksinkertaisella kaavalla Δm = Zm p + Am n - M i, jossa Z on ydinvaraus, A on massaluku, m p on protonin massa (1,00728 amu), m n on neutronin massa ( 1,00866 amu), M i - ydinmassa.

Ydinreaktioita kuvattaessa käytetään spesifisen sitoutumisenergian käsitettä (eli nukleonia kohti: Δmc 2 /A).

Sitova energia ja ydinvakaus

Suurin stabiilisuus eli suurin spesifinen sitoutumisenergia erottuu ytimistä, joiden massaluku on 50-90, esimerkiksi rauta. Tämä "huippuvakaus" johtuu ydinvoimien ei-keskeisestä luonteesta. Koska jokainen nukleoni on vuorovaikutuksessa vain naapuriensa kanssa, se sitoutuu heikommin ytimen pinnalle kuin sen sisällä. Mitä vähemmän ytimessä on vuorovaikutuksessa olevia nukleoneja, sitä pienempi sitoutumisenergia, joten kevyet ytimet ovat vähemmän stabiileja. Partikkelien määrän kasvaessa ytimessä puolestaan ​​protonien väliset Coulombin hylkimisvoimat kasvavat, jolloin myös raskaiden ytimien sitoutumisenergia pienenee.

Siten kevyille ytimille todennäköisimpiä eli energeettisesti edullisimpia ovat fuusioreaktiot, joissa muodostuu vakaa keskimassainen ydin, kun taas raskaille ytimille päinvastoin hajoamis- ja fissioprosessit (usein monivaiheiset), kuten jonka seurauksena muodostuu myös vakaampia tuotteita. Näille reaktioille on ominaista positiivinen ja usein erittäin korkea energian saanto, joka liittyy sitoutumisenergian lisääntymiseen.

Alla tarkastellaan joitain esimerkkejä ydinreaktioista.

Hajoamisreaktiot

Ytimen koostumuksessa ja rakenteessa voi tapahtua spontaaneja muutoksia, joiden aikana ytimestä vapautuu joitain alkuainehiukkasia tai fragmentteja, kuten alfahiukkasia tai raskaampia klustereita.

Siten alfa-hajoamisen aikana, jonka mahdollistaa kvanttitunnelointi, alfahiukkanen ylittää ydinvoimien potentiaaliesteen ja poistuu emoytimestä, mikä vastaavasti pienentää atomilukua 2:lla ja massalukua 4:llä. Esimerkiksi radium -226-ydin, joka emittoi alfahiukkasta, muuttuu radon-222:ksi:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Radium-226-ytimen hajoamisenergia on noin 4,87 MeV.

Beetahajoaminen tapahtuu ilman muutosta nukleonien lukumäärässä (massaluvussa), mutta ytimen varauksen lisääntyessä tai pienentyessä yhdellä, antineutriinon tai neutrinon sekä elektronin tai positronin emission kanssa. Esimerkki tämäntyyppisestä ydinreaktiosta on fluori-18:n beeta-plus-hajoaminen. Täällä yksi ytimen protoneista muuttuu neutroniksi, positroni ja neutrino vapautuvat ja fluori muuttuu happi-18:ksi:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .

Fluori-18:n beeta-hajoamisenergia on noin 0,63 MeV.

Ydinfissio

Fissioreaktioilla on paljon suurempi energiantuotanto. Tämä on prosessin nimi, jossa ydin hajoaa spontaanisti tai väkisin samanmassaisiksi fragmenteiksi (yleensä kahdeksi, harvoin kolmeksi) ja joiksikin kevyemmiksi tuotteiksi. Ydin jakautuu, jos sen potentiaalienergia ylittää alkuarvon tietyllä määrällä, jota kutsutaan fissioesteeksi. Spontaanin prosessin todennäköisyys myös raskaille ytimille on kuitenkin pieni.

Se kasvaa merkittävästi, kun ydin saa vastaavan energian ulkopuolelta (kun hiukkanen osuu siihen). Neutroni tunkeutuu ytimeen helpoimmin, koska se ei ole alttiina sähköstaattisille hylkäysvoimille. Neutronin isku johtaa ytimen sisäisen energian kasvuun, se vääristyy vyötärön muodostuessa ja jakautuu. Sirpaleet hajaantuvat Coulombin voimien vaikutuksesta. Esimerkki ydinfissioreaktiosta on neutronin absorboiva uraani-235:

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

Jakautuminen barium-144:ksi ja krypton-89:ksi on vain yksi niistä mahdollisia vaihtoehtoja uraani-235:n fissio. Tämä reaktio voidaan kirjoittaa muodossa 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, missä 236 92 U* on erittäin virittyvä yhdisteydin, jolla on korkea potentiaalienergia. Sen ylimäärä sekä emo- ja tytärytimien sitoutumisenergioiden erot vapautuvat pääasiassa (noin 80 %) reaktiotuotteiden kineettisen energian muodossa ja osittain myös muodossa. Mahdollinen energia fission palaset. Massiivisen ytimen kokonaisfissioenergia on noin 200 MeV. 1 grammassa uraani-235:tä (olettaen, että kaikki ytimet ovat reagoineet) tämä vastaa 8,2 ∙ 10 4 megajoulea.

Ketjureaktiot

Uraani-235:n sekä ytimien, kuten uraani-233 ja plutonium-239, fissiolle on tunnusomaista yksi tärkeä ominaisuus- vapaiden neutronien läsnäolo reaktiotuotteiden joukossa. Nämä hiukkaset, jotka tunkeutuvat muihin ytimiin, vuorostaan ​​pystyvät aloittamaan fissionsa, jälleen vapauttamalla uusia neutroneja ja niin edelleen. Tätä prosessia kutsutaan ydinketjureaktioksi.

Ketjureaktion kulku riippuu siitä, kuinka seuraavan sukupolven emittoituneiden neutronien määrä korreloi niiden lukumäärän kanssa edellinen sukupolvi. Tätä suhdetta k = N i /N i -1 (tässä N on hiukkasten lukumäärä, i on sukupolven sarjanumero) kutsutaan neutronien kertoimeksi. Klossa k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 neutronien ja siten halkeavien ytimien määrä kasvaa kuin lumivyöry. Esimerkki tämäntyyppisestä ydinketjureaktiosta on räjähdys atomipommi. Kun k = 1, prosessi etenee paikallaan, mistä on esimerkkinä neutroneja absorboivilla sauvoilla ohjattu reaktio. ydinreaktorit.

Ydinfuusio

Suurin energian vapautuminen (nukleonia kohti) tapahtuu kevyiden ytimien fuusion aikana - niin sanotuissa fuusioreaktioissa. Reagoikseen positiivisesti varautuneiden ytimien on ylitettävä Coulombin este ja lähestyttävä toisiaan vahvalle vuorovaikutusetäisyydelle, joka ei ylitä itse ytimen kokoa. Siksi niillä on oltava erittäin korkea kineettinen energia, mikä tarkoittaa korkeita lämpötiloja(kymmeniä miljoonia asteita ja enemmän). Tästä syystä fuusioreaktioita kutsutaan myös lämpöydinreaktioksi.

Esimerkki ydinfuusioreaktiosta on helium-4:n muodostuminen neutronin vapautuessa deuterium- ja tritiumytimien fuusion aikana:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Tässä vapautuu 17,6 MeV energiaa, joka nukleonia kohti on yli 3 kertaa suurempi kuin uraanin fissioenergia. Näistä 14,1 MeV on neutronin kineettistä energiaa ja 3,5 MeV helium-4-ytimen liike-energiaa. Tällainen merkittävä arvo syntyy toisaalta deuteriumin (2,2246 MeV) ja tritiumin (8,4819 MeV) ja toisaalta helium-4:n (28,2956 MeV) ytimien sitoutumisenergioiden valtavasta erosta.

Ydinfissioreaktioissa vapautuu sähköisen hylkimisen energiaa, kun taas fuusiossa energiaa vapautuu voimakkaasta vuorovaikutuksesta - voimakkaimmasta luonnosta. Tämä määrittää tämän tyyppisten ydinreaktioiden merkittävän energiasaannon.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

Tarkastellaan fissioreaktiota 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Mikä on sen energiantuotanto? Yleensä sen laskentakaava, joka heijastaa hiukkasten lepoenergioiden välistä eroa ennen ja jälkeen reaktion, on seuraava:

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

Sen sijaan, että kertoisit valonnopeuden neliöllä, voit kertoa massa-eron kertoimella 931,5 saadaksesi energia-arvon megaelektronivoltteina. Korvaa vastaavat arvot kaavaan atomimassat, saamme:

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

Toinen esimerkki on synteesireaktio. Tämä on yksi protoni-protonisyklin vaiheista - tärkein aurinkoenergian lähde.

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

Sovelletaan samaa kaavaa:

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

Suurin osa tästä energiasta - 12,8 MeV - laskeutuu tässä tapauksessa gammafotonille.

Olemme tarkastelleet vain yksinkertaisimpia esimerkkejä ydinreaktioista. Näiden prosessien fysiikka on äärimmäisen monimutkainen, ne ovat erittäin erilaisia. Ydinreaktioiden tutkiminen ja soveltaminen on hyvin tärkeä sekä käytännön alalla (energia) että perustieteen alalla.

Ydinreaktio – tämä on atomiytimien muutos, kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasten kanssa(mukaan lukien γ-kvanttien kanssa) tai keskenään. Yleisin ydinreaktion tyyppi on symbolisesti kirjoitettu reaktio seuraavasti:

Missä X Ja Y– alku- ja loppuytimet, A Ja b– ydinreaktiossa pommittava ja säteilevä (tai säteilevä) hiukkanen.

SISÄÄN ydinfysiikka vuorovaikutuksen tehokkuus on karakterisoitu tehokas poikkileikkaus σ. Jokaiseen hiukkas-ydinvuorovaikutustyyppiin liittyy oma tehokas poikkileikkaus: tehokas sironta poikkileikkaus ;tehokkaan absorption poikkileikkaus .

Ydinreaktion tehollinen poikkileikkaus σ saadaan kaavasta:

,

(9.5.1)

Missä N– tilavuusyksikköä kohti putoavien hiukkasten määrä aineen poikkileikkauspinta-alayksikköä kohti n ytimet; d N on näiden hiukkasten lukumäärä, joka reagoi kerroksessa, jonka paksuus on d x. Tehokkaalla poikkileikkauksella σ on pinta-ala ja se kuvaa todennäköisyyttä, että reaktio tapahtuu, kun hiukkassäde putoaa aineen päälle.

Ydinprosessien tehollisen poikkileikkauksen mittayksikkö – navetta (1 navetta = 10–28 m2).

Missä tahansa ydinreaktiossa toteutetaan luonnonsuojelulakeja sähkövaraukset Ja massaluvut : maksujen summa(ja massalukujen summa) ytimiä ja hiukkasia, reagointi on yhtä suuri kuin varausten summa(ja massalukujen summa) lopputuotteet(ytimet ja hiukkaset) reaktiot. Käynnissä Myös energian säilymisen lakeja , impulssi Ja kulmamomentti .

Toisin kuin radioaktiivinen hajoaminen, joka etenee aina energian vapautuessa, ydinreaktiot voivat olla sellaisia eksoterminen (energian vapautumisen myötä) ja endoterminen (energian imeytymisen kanssa).

Tärkein rooli monien ydinreaktioiden mekanismin selittämisessä oli N. Bohrin (1936) oleuksella, että ydinreaktiot etenevät kahdessa vaiheessa seuraavan kaavion mukaisesti:

Ensimmäinen taso – Tämä on ytimen vangitsemista X hiukkasia a, lähestyy sitä ydinvoimien vaikutusetäisyydellä (noin) ja väliytimen muodostuminen KANSSA, jota kutsutaan komposiitiksi (tai yhdisteytimeksi). Ytimeen lentävän hiukkasen energia jakautuu nopeasti yhdisteytimen nukleonien kesken, minkä seurauksena se joutuu virittyneeseen tilaan. Kun nukleonit törmäävät yhdisteytimessä, yksi nukleoneista (tai niiden yhdistelmä, kuten deuteroni) tai α - hiukkanen voi saada riittävästi energiaa pakenemaan ytimestä. Tuloksena tulee ydinreaktion toinen vaihe – yhdisteytimen hajoaminen ytimeksi Y ja hiukkanen b.

Ydinfysiikassa se otetaan käyttöön ominaisuus ydinaika – aika,tarvitaan, jotta hiukkanen kulkee matkan, joka on suuruusluokkaa yhtä suuri kuin ytimen halkaisija(). Joten hiukkaselle, jonka energia on 1 MeV (joka vastaa sen nopeutta 10 7 m/s), tyypillinen ydinaika on . Toisaalta on todistettu, että yhdisteytimen elinikä on 10–16 – 10 –12 s, ts. on (10 6 – 10 10)τ. Tämä tarkoittaa, että yhdisteytimen eliniän aikana voi tapahtua paljon nukleonien törmäyksiä keskenään, ts. energian uudelleenjako nukleonien välillä on todellakin mahdollista. Näin ollen yhdisteydin elää niin kauan, että se "unohtaa" kokonaan, miten se muodostui. Siksi yhdisteytimen (sen lähettämien hiukkasten) hajoamisen luonne b) – ydinreaktion toinen vaihe – ei riipu yhdisteytimen muodostumistavasta, ensimmäinen vaihe.

Jos emittoitunut hiukkanen on identtinen siepatun kanssa (), niin kaavio (4.5.2) kuvaa hiukkasen sirontaa: elastinen – at ; joustamaton – klo . Jos emittoitunut hiukkanen ei ole identtinen siepatun kanssa (), niin meillä on yhtäläisyyksiä ydinreaktion kanssa kirjaimellisesti sanat.

Joitakin reaktioita tapahtuu ilman yhdisteytimen muodostumista, niitä kutsutaan suorat ydinvuorovaikutukset(esimerkiksi nopeiden nukleonien ja deuteronien aiheuttamat reaktiot).

Ydinreaktiot luokitellaan seuraavien kriteerien mukaan:

· niihin osallistuvien hiukkasten tyypin mukaan - neutronien vaikutuksen alaiset reaktiot; varautuneiden hiukkasten (esimerkiksi protonit, deuteronit, a-hiukkaset) vaikutuksen alaiset reaktiot; y-kvanttien vaikutuksen alaiset reaktiot;

· niitä aiheuttavien hiukkasten energian mukaan - alhaisilla energioilla (elektronivolttien luokkaa) tapahtuvat reaktiot, jotka tapahtuvat pääasiassa neutronien osallistuessa; reaktiot keskisuurilla energioilla (jopa useisiin MeV), jotka tapahtuvat γ-kvanttien ja varautuneiden hiukkasten (protonien, α-hiukkasten) osallistuessa; reaktiot, jotka tapahtuvat, kun korkeat energiat(satoja ja tuhansia MeV), mikä johtaa alkuainehiukkasten ilmestymiseen, jotka puuttuvat vapaassa tilassa ja joilla on suuri merkitys niiden tutkimuksen kannalta;

· niihin osallistuvien ytimien tyypin mukaan - kevyiden ytimien reaktiot (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);

· tapahtuvien ydinmuutosten luonteen mukaan - reaktiot neutronien emission kanssa; reaktiot varautuneiden hiukkasten emission kanssa; sieppausreaktiot (näissä reaktioissa yhdisteydin ei emittoi yhtään hiukkasta, vaan siirtyy perustilaan ja lähettää yhden tai useamman y-kvantin).

Katso demot napsauttamalla asianmukaista hyperlinkkiä: