Réactions nucléaires : simples et claires. Les réactions nucléaires et leurs principaux types

– le processus d'interaction d'un noyau avec une particule élémentaire ou un autre noyau, au cours duquel se produit un changement dans la structure et les propriétés du noyau. Par exemple, l'émission d'un noyau particules élémentaires, sa fission, émission de photons de haute énergie ( rayons gamma). Un des résultats réactions nucléaires est la formation d'isotopes qui n'existent pas dans conditions naturelles par terre.

Des réactions nucléaires peuvent se produire lorsque les atomes sont bombardés par des particules rapides ( protons , neutrons , ions , particules alpha ).

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Réactions nucléaires

L'une des premières réactions nucléaires réalisées par l'homme a été réalisée Rutherford V 1919 année afin de détecter le proton. A cette époque, on ne savait pas encore que le noyau était constitué de nucléons (protons Et neutrons). Lors de la division de nombreux éléments, une particule a été découverte qui était le noyau d'un atome d'hydrogène. Sur la base d'expériences, Rutherford a émis l'hypothèse que cette particule faisait partie de tous les noyaux.

Cette réaction décrit exactement l’une des expériences du scientifique. Dans l'expérience, le gaz est plus élevé ( azote) est bombardé particules alpha (noyaux d'hélium), qui, éliminant les noyaux d'azote proton , convertissez-le en un isotope de l’oxygène. L'enregistrement de cette réaction ressemble à ceci :

Lors de la résolution de problèmes impliquant des réactions nucléaires, il ne faut pas oublier que lors de leur apparition, les conditions suivantes sont remplies : lois classiqueséconomie: charge , moment cinétique , impulsion Et énergie .

Il y a aussi loi de conservation de la charge baryonique . Cela signifie que le nombre de nucléons participant à la réaction reste inchangé. Si nous regardons la réaction, nous voyons que les quantités nombres de masse (numéro ci-dessus) et numéros atomiques l (en bas) sur les côtés droit et gauche de l’équation sont les mêmes.

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Énergie de liaison spécifique des noyaux

Comme on le sait, l'une des interactions physiques fondamentales s'opère à l'intérieur du noyau à des distances de l'ordre de sa taille - forte interaction . Pour en venir à bout et « détruire » le noyau, il faut un grand nombre deénergie.

Énergie de liaison nucléaire - l'énergie minimale nécessaire pour diviser le noyau d'un atome en ses particules élémentaires constitutives.

La masse de tout noyau atomique est inférieure à la masse de ses particules constitutives. La différence entre les masses d'un noyau et celles de ses nucléons constitutifs s'appelle défaut de masse :

Nombres Z Et N sont facilement déterminés à l’aide tableaux périodiques, et vous pouvez lire comment cela se fait. L'énergie de liaison est calculée à l'aide de la formule :

Énergie des réactions nucléaires

Les réactions nucléaires s'accompagnent de transformations énergétiques. Il existe une quantité appelée rendement énergétique de la réaction et est déterminée par la formule

Delta-M – défaut de masse, mais dans ce cas il s’agit de la différence de masse entre les produits initiaux et finaux d’une réaction nucléaire.

Des réactions peuvent se produire à la fois avec la libération d'énergie et avec son absorption. De telles réactions sont appelées respectivement exothermique Et endothermique .
Couler réaction exothermique , la condition suivante doit être remplie : l'énergie cinétique des produits initiaux doit être supérieure à l'énergie cinétique des produits formés lors de la réaction.

Réaction endothermique possible quand énergie de liaison spécifique Les nucléons des produits initiaux sont inférieurs à l'énergie de liaison spécifique des noyaux des produits finaux.

Exemples de résolution de problèmes de réaction nucléaire

Et maintenant quelques exemples pratiques avec des solutions :

Même si vous rencontrez un problème avec un astérisque, n'oubliez pas qu'il n'y a pas de problèmes insolubles. Le service étudiant vous aidera à accomplir n’importe quelle tâche.

La théorie de la relativité dit que la masse est forme spécialeénergie. Il s'ensuit qu'il est possible de convertir la masse en énergie et l'énergie en masse. De telles réactions ont lieu au niveau intraatomique. En particulier, une certaine quantité de masse elle-même pourrait très bien être convertie en énergie. Cela se produit de plusieurs manières. Premièrement, un noyau peut se désintégrer en un certain nombre de noyaux plus petits, une réaction appelée « désintégration ». Deuxièmement, des noyaux plus petits peuvent facilement se combiner pour en former un plus gros : il s’agit d’une réaction de fusion. De telles réactions sont très courantes dans l’Univers. Qu'il suffise de dire que la réaction de fusion est une source d'énergie pour les étoiles. Mais la réaction de désintégration est utilisée par l’humanité parce que les hommes ont appris à contrôler ces processus complexes. Mais qu’est-ce qu’une réaction nucléaire en chaîne ? Comment le gérer ?

Que se passe-t-il dans le noyau d'un atome

Une réaction nucléaire en chaîne est un processus qui se produit lorsque des particules ou des noyaux élémentaires entrent en collision avec d'autres noyaux. Pourquoi « chaîne » ? Il s’agit d’un ensemble de réactions nucléaires uniques séquentielles. À la suite de ce processus, un changement se produit dans l'état quantique et la composition nucléonique du noyau d'origine, et même de nouvelles particules apparaissent - des produits de réaction. La réaction nucléaire en chaîne, dont la physique permet d'étudier les mécanismes d'interaction des noyaux avec les noyaux et avec les particules, est la principale méthode d'obtention de nouveaux éléments et isotopes. Afin de comprendre le déroulement d’une réaction en chaîne, vous devez d’abord en traiter une seule.

Ce qui est nécessaire pour une réaction

Afin de réaliser un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne, il est nécessaire de rapprocher les particules (un noyau et un nucléon, deux noyaux) de la distance du rayon d'interaction forte (environ un Fermi). Si les distances sont grandes, alors l'interaction des particules chargées sera purement coulombienne. Dans une réaction nucléaire, toutes les lois sont respectées : conservation de l'énergie, quantité de mouvement, quantité de mouvement, charge baryonique. Une réaction nucléaire en chaîne est désignée par les symboles a, b, c, d. Le symbole a désigne le noyau d'origine, b la particule entrante, c la nouvelle particule émise et d désigne le noyau résultant.

Énergie de réaction

Une réaction nucléaire en chaîne peut se produire avec à la fois une absorption et une libération d'énergie, ce qui est égal à la différence entre les masses de particules après et avant la réaction. L'énergie absorbée détermine le minimum énergie cinétique collision, ce qu'on appelle le seuil d'une réaction nucléaire auquel elle peut se dérouler librement. Ce seuil dépend des particules qui participent à l'interaction et de leurs caractéristiques. Sur stade initial toutes les particules sont dans un état quantique prédéterminé.

Réaliser la réaction

La principale source de particules chargées avec laquelle le noyau est bombardé est celle qui produit des faisceaux de protons, d'ions lourds et de noyaux légers. Les neutrons lents sont produits grâce à l’utilisation de réacteurs nucléaires. Pour détecter les particules chargées entrantes, différents types de réactions nucléaires peuvent être utilisés : fusion et désintégration. Leur probabilité dépend des paramètres des particules qui entrent en collision. Cette probabilité est associée à une caractéristique telle que la section efficace de réaction - la valeur de la surface effective, qui caractérise le noyau en tant que cible des particules incidentes et qui est une mesure de la probabilité qu'une particule et un noyau entrent en interaction. Si des particules avec une valeur de spin non nulle participent à la réaction, alors la section efficace dépend directement de leur orientation. Puisque les spins des particules incidentes ne sont pas complètement chaotiques, mais plus ou moins ordonnés, tous les corpuscules seront polarisés. La caractéristique quantitative des spins du faisceau orienté est décrite par le vecteur de polarisation.

Mécanisme de réaction

Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? Comme déjà mentionné, cette séquence est plus réactions simples. Les caractéristiques de la particule incidente et son interaction avec le noyau dépendent de la masse, de la charge et de l'énergie cinétique. L’interaction est déterminée par le degré de liberté des noyaux excités lors de la collision. Prendre le contrôle de tous ces mécanismes permet de mettre en place un processus tel qu’une réaction nucléaire en chaîne contrôlée.

Réactions directes

Si une particule chargée qui frappe un noyau cible ne fait que le toucher, alors la durée de la collision sera égale à celle nécessaire pour parcourir le rayon du noyau. Cette réaction nucléaire est dite directe. Caractéristiques générales car toutes les réactions de ce type sont l’excitation d’un petit nombre de degrés de liberté. Dans un tel processus, après la première collision, la particule dispose encore de suffisamment d’énergie pour vaincre l’attraction nucléaire. Par exemple, les interactions telles que la diffusion inélastique des neutrons et l’échange de charges sont classées comme directes. La contribution de tels procédés à la caractéristique appelée « section efficace totale » est tout à fait négligeable. Cependant, la répartition des produits d'une réaction nucléaire directe permet de déterminer la probabilité de sortie de l'angle de direction du faisceau, la sélectivité des états peuplés, et de déterminer leur structure.

Émission de pré-équilibre

Si la particule ne quitte pas la région d'interaction nucléaire après la première collision, elle sera alors impliquée dans toute une cascade de collisions successives. C’est en fait ce qu’on appelle une réaction nucléaire en chaîne. De ce fait, l’énergie cinétique de la particule est répartie entre les éléments constitutifs du noyau. L’état du noyau lui-même deviendra progressivement beaucoup plus compliqué. Au cours de ce processus, l'énergie suffisante pour l'émission de ce nucléon depuis le noyau peut être concentrée sur un certain nucléon ou sur un amas entier (groupe de nucléons). Une relaxation supplémentaire conduira à la formation d’un équilibre statistique et à la formation d’un noyau composé.

Réactions en chaîne

Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? C'est sa séquence Composants. Autrement dit, plusieurs réactions nucléaires uniques séquentielles provoquées par des particules chargées apparaissent comme produits de réaction dans les étapes précédentes. Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire en chaîne ? Par exemple, la fission de noyaux lourds, lorsque plusieurs événements de fission sont initiés par des neutrons obtenus lors de désintégrations précédentes.

Caractéristiques d'une réaction nucléaire en chaîne

Parmi tous réactions chimiques Les chaînes se sont généralisées. Les particules avec des liaisons inutilisées agissent comme des atomes libres ou des radicaux. Dans un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne, le mécanisme de son apparition est assuré par les neutrons, qui n'ont pas de barrière coulombienne et excitent le noyau lors de l'absorption. Si la particule nécessaire apparaît dans le milieu, cela provoque une chaîne de transformations ultérieures qui se poursuivront jusqu'à ce que la chaîne se brise en raison de la perte de la particule porteuse.

Pourquoi les médias sont-ils perdus ?

Il n'y a que deux raisons pour la perte d'une particule porteuse dans une chaîne continue de réactions. Le premier est l’absorption d’une particule sans processus d’émission d’une particule secondaire. La seconde est le départ d’une particule au-delà de la limite volumique de la substance qui supporte le processus en chaîne.

Deux types de processus

Si, à chaque période d'une réaction en chaîne, une particule porteuse exclusivement unique naît, alors ce processus peut être appelé non ramifié. Cela ne peut pas conduire à une libération d’énergie à grande échelle. Si de nombreuses particules porteuses apparaissent, on parle alors d’une réaction ramifiée. Qu’est-ce qu’une réaction nucléaire en chaîne ramifiée ? L'une des particules secondaires obtenues à l'acte précédent continuera la chaîne commencée plus tôt, mais d'autres créeront de nouvelles réactions qui se ramifieront également. Les processus conduisant à une rupture entreront en concurrence avec ce processus. La situation qui en résulte donnera lieu à des phénomènes critiques et limitants spécifiques. Par exemple, s’il y a plus de ruptures que de chaînes purement nouvelles, alors l’auto-entretien de la réaction sera impossible. Même s'il est excité artificiellement en introduisant le nombre requis de particules dans un environnement donné, le processus se désintégrera toujours avec le temps (généralement assez rapidement). Si le nombre de nouvelles chaînes dépasse le nombre de ruptures, la réaction nucléaire en chaîne commencera à se propager dans toute la substance.

Un état critique

L'état critique sépare la région de l'état d'une substance dans laquelle une réaction en chaîne auto-entretenue est développée et la région où cette réaction est complètement impossible. Ce paramètre est caractérisé par l'égalité entre le nombre de nouveaux circuits et le nombre de coupures possibles. Tout comme la présence d’une particule porteuse libre, l’état critique est le principal élément d’une liste telle que les « conditions d’une réaction nucléaire en chaîne ». L’atteinte de cet état peut être déterminée par un certain nombre de facteurs possibles. d'un élément lourd est excité par un seul neutron. À la suite d’un processus appelé réaction en chaîne de fission nucléaire, davantage de neutrons sont produits. Par conséquent, ce processus peut produire une réaction ramifiée, dans laquelle les neutrons agissent comme porteurs. Dans le cas où le taux de capture de neutrons sans fission ni émission (taux de perte) sera compensé par le taux de multiplication des particules porteuses, alors réaction en chaîne se déroulera en mode stationnaire. Cette égalité caractérise le coefficient de reproduction. Dans le cas ci-dessus, il est égal à un. Grâce à l'introduction entre le taux de libération d'énergie et le facteur de multiplication, il est possible de contrôler le déroulement d'une réaction nucléaire. Si ce coefficient est supérieur à un, alors la réaction se développera de manière exponentielle. Des réactions en chaîne incontrôlées sont utilisées dans les armes nucléaires.

Réaction nucléaire en chaîne dans l'énergie

La réactivité d'un réacteur est déterminée par un grand nombre de processus qui se déroulent dans son cœur. Toutes ces influences sont déterminées par ce que l'on appelle le coefficient de réactivité. L'effet des changements de température des barres de graphite, des caloporteurs ou de l'uranium sur la réactivité du réacteur et l'intensité d'un processus tel qu'une réaction nucléaire en chaîne est caractérisé par coéfficent de température(pour le liquide de refroidissement, pour l'uranium, pour le graphite). Il existe également des caractéristiques dépendantes pour la puissance, les indicateurs barométriques et les indicateurs de vapeur. Pour entretenir une réaction nucléaire dans un réacteur, il faut transformer certains éléments en d’autres. Pour ce faire, il est nécessaire de prendre en compte les conditions d'apparition d'une réaction nucléaire en chaîne - la présence d'une substance capable de se diviser et de libérer d'elle-même lors de la désintégration un certain nombre de particules élémentaires qui, par conséquent , provoquera la fission d’autres noyaux. L'uranium 238, l'uranium 235 et le plutonium 239 sont souvent utilisés comme telles substances. Au cours d'une réaction nucléaire en chaîne, les isotopes de ces éléments se désintégreront et en formeront deux ou plusieurs autres. substances chimiques. Au cours de ce processus, des rayons dits « gamma » sont émis, une intense libération d'énergie se produit et deux ou trois neutrons se forment, capables de poursuivre les actes de réaction. Il existe des neutrons lents et rapides, car pour que le noyau d'un atome se désintègre, ces particules doivent voler à une certaine vitesse.

À faible (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 MeV). Des distinctions sont faites sur les noyaux légers (noyaux cibles A< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
je nucléaire peut se produire si les deux particules impliquées se rapprochent à une distance inférieure au diamètre du noyau (environ 10 -13 cm), c'est-à-dire à une distance à laquelle agissent les forces d'interaction intranucléaire. entre les nucléons constitutifs du noyau. Si les deux particules nucléaires impliquées - celle qui bombarde et le noyau cible - sont chargées positivement, alors l'approche des particules est empêchée par la force répulsive des deux particules positives. charges, et la particule bombardante doit surmonter ce qu'on appelle. Barrière de potentiel coulombienne. La hauteur de cette barrière dépend de la charge de la particule bombardante et de la charge du noyau cible. Pour les noyaux répondant avec avg. valeurs de , et en bombardant des particules avec une charge +1, la hauteur de la barrière est d'env. 10 MeV. Si des particules qui n'ont pas de charge () participent au processus nucléaire, il n'y a pas de barrière de potentiel coulombienne et les réactions nucléaires peuvent se dérouler avec la participation de particules qui ont l'énérgie thermique(c'est-à-dire l'énergie correspondant aux vibrations thermiques).
La possibilité que des noyaux nucléaires se produisent non pas à la suite d'un bombardement de noyaux cibles par des particules incidentes, mais en raison d'une convergence ultra-forte de noyaux (c'est-à-dire se rapprochant à des distances comparables au diamètre du noyau) situés dans un solide ou sur une surface (par exemple, avec la participation de noyaux dissous) ; Jusqu'à présent (1995), il n'existe pas de données fiables sur la mise en œuvre d'une telle technologie nucléaire ("fusion thermonucléaire froide").
je Les produits nucléaires sont soumis aux mêmes lois générales de la nature que les produits chimiques ordinaires. r-tion (et énergie, conservation de charge, impulsion). De plus, au cours des réactions nucléaires, certains effets spécifiques se produisent également. des lois qui n'apparaissent pas en chimie. p-tions, par exemple, la loi de conservation de la charge des baryons (les baryons sont lourds).
Les noyaux nucléaires peuvent s'écrire comme le montre l'exemple de la transformation de noyaux de Pu en noyaux de Ku lorsqu'une cible de plutonium est irradiée avec des noyaux :

De cet enregistrement, il ressort clairement que les sommes des charges à gauche et à droite (94 + 10 = 104) et les sommes (242 + 22 = 259 + 5) sont égales entre elles. Parce que le symbole chimique L'élément indique clairement son emplacement. nombre (charge nucléaire), alors lors de l'écriture des valeurs nucléaires de la charge des particules, elles ne sont généralement pas indiquées. Le plus souvent, les nucléaires sont écrits plus courts. Ainsi, la formation nucléaire de 14 C lors de l'irradiation de noyaux 14 N est enregistrée comme suit. manière : 14 N(n, p) 14 C.
Entre parenthèses, indiquez d’abord la particule ou quanta bombardant, puis, séparés par des virgules, les particules lumineuses ou quanta résultants. Conformément à cette méthode d'enregistrement, (n, p), (d, p), (n, 2n) et autres.
Lorsque les mêmes particules entrent en collision, les particules nucléaires peuvent se séparer. façons. Par exemple, lorsqu’une cible en aluminium est irradiée, une trace peut apparaître. nucléaire : 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na et etc. L'ensemble des particules en collision est appelé. le canal d'entrée nucléaire, et les particules nées du canal nucléaire forment le canal de sortie.
je des réactions nucléaires peuvent se produire avec la libération et l'absorption d'énergie Q. Si dans vue généraleécrivez le nucléaire sous la forme A(a, b)B, alors pour une telle énergie nucléaire est égal à : Q = [(M A + M a) - (M b + M b)] x c 2, où M est la masse des particules nucléaires impliqué; c est la vitesse de la lumière. En pratique, il est plus pratique d'utiliser les valeurs deltaM (voir), alors l'expression de calcul de Q a la forme : et pour des raisons de commodité, elle est généralement exprimée en kiloélectronvolts (keV, 1 amu = 931501,59 keV = 1,492443 x 10-7 kJ).
Le changement d'énergie qui accompagne l'énergie nucléaire peut être 10 6 fois ou plus supérieur à l'énergie libérée ou absorbée lors des réactions chimiques. r-tions. Par conséquent, lors d'un nucléaire, un changement dans les masses des noyaux en interaction devient perceptible : l'énergie libérée ou absorbée est égale à la différence des sommes des masses de particules avant et après le nucléaire. La possibilité de libérer d'énormes quantités d'énergie lors de la mise en œuvre du nucléaire est à la base du nucléaire (voir). L'étude des relations entre les énergies des particules participant aux réactions nucléaires, ainsi que les relations entre les angles sous lesquels les particules résultantes se séparent, constituent une branche de la physique nucléaire - la cinématique des réactions nucléaires.

Productions nucléaires, c'est-à-dire que le rapport entre le nombre de particules nucléaires et le nombre de particules tombant par unité de surface (1 cm 2) de la cible ne dépasse généralement pas 10 -6 -10 -3. Pour les cibles minces (simplement, une cible mince peut être appelée cible, en la traversant le flux de particules bombardantes ne s'affaiblit pas sensiblement), le rendement nucléaire est proportionnel au nombre de particules tombant sur 1 cm 2 de la surface cible, le nombre de noyaux contenus dans 1 cm 2 de la cible, ainsi que la valeur de la section efficace nucléaire. Même en utilisant une source de particules incidentes aussi puissante qu'un réacteur nucléaire, en 1 heure, en règle générale, il n'est possible d'en obtenir que quelques-unes. mg contenant de nouveaux noyaux. Habituellement, la masse d'une substance obtenue dans l'une ou l'autre installation nucléaire est nettement inférieure.

Bombardement de particules. Pour réaliser des réactions nucléaires, n, p, deutons d, tritons t, particules lourdes (12 C, 22 Ne, 40 Ar, etc.), e quanta sont utilisés. Les sources (voir) lors de la réalisation du nucléaire sont : les mélanges de métaux. Be et un émetteur approprié, par ex. 226 Ra (sources dites à ampoules), générateurs de neutrons, réacteurs nucléaires. Puisque dans la plupart des cas, les énergies nucléaires sont plus élevées pour les basses énergies (thermiques), alors avant de diriger le flux vers la cible, elles sont généralement ralenties à l'aide d'autres matériaux. Dans le cas de fondamentaux lents. le processus pour presque tous les noyaux est la capture des rayonnements - de type nucléaire, puisque la barrière coulombienne du noyau empêche la fuite des particules. Sous l'influence, des flux en chaîne se produisent.
S'il est utilisé comme bombardement de particules, deutons, etc., porteurs de positif. charge, la particule bombardante est accélérée à des énergies élevées (de dizaines de MeV à des centaines de GeV), par décomposition. accélérateurs. Ceci est nécessaire pour qu'une particule chargée puisse surmonter la barrière de potentiel coulombienne et pénétrer dans le noyau irradié. Lors de l'irradiation de cibles avec des particules chargées positivement, max. Les rendements nucléaires sont obtenus grâce aux deutons. Cela est dû au fait que l'énergie de liaison dans le deuton est relativement faible et, par conséquent, la distance entre et est grande.
Lorsque les deutons sont utilisés comme particules de bombardement, un seul nucléon pénètre souvent dans le noyau irradié - ou bien le deuxième nucléon du noyau du deuton vole plus loin, généralement dans la même direction que le deuton incident. Des sections efficaces élevées peuvent être obtenues en effectuant des essais nucléaires entre deutons et noyaux légers à des énergies relativement faibles des particules incidentes (1-10 MeV). Par conséquent, la création de noyaux nucléaires avec la participation de deutons peut être réalisée non seulement en utilisant des deutons accélérés par un accélérateur, mais également en chauffant un mélange de noyaux en interaction à une température d'env. 10 7 K. Ces nucléaires sont appelés thermonucléaires. DANS conditions naturelles ils ne se produisent que dans les profondeurs des étoiles. Sur Terre, des relations thermonucléaires impliquant,

Pendant longtemps, l'homme a été hanté par les rêves de transformation mutuelle des éléments - plus précisément de transformation divers métaux en un seul. Après avoir réalisé l'inutilité de ces tentatives, le point de vue sur l'inviolabilité des éléments chimiques s'est imposé. Et seule la découverte de la structure du noyau au début du 20e siècle a montré que la transformation d'éléments les uns dans les autres est possible - mais pas par des méthodes chimiques, c'est-à-dire en influençant les couches électroniques externes des atomes, mais en interférant avec avec la structure du noyau atomique. Ce type de phénomène (et quelques autres) concerne les réactions nucléaires dont des exemples seront discutés ci-dessous. Mais nous devons d’abord rappeler certains concepts de base qui seront nécessaires au cours de cette discussion.

Concept général des réactions nucléaires

Il existe des phénomènes dans lesquels le noyau d'un atome d'un élément particulier interagit avec un autre noyau ou une particule élémentaire, c'est-à-dire qu'il échange de l'énergie et de l'élan avec eux. De tels processus sont appelés réactions nucléaires. Leur résultat peut être une modification de la composition du noyau ou la formation de nouveaux noyaux avec émission de certaines particules. Dans ce cas, les options suivantes sont possibles :

• en avoir un élément chimiqueà un autre;
• la synthèse, c'est-à-dire la fusion de noyaux dans laquelle se forme le noyau d'un élément plus lourd.

La phase initiale de la réaction, déterminée par le type et l’état des particules qui y pénètrent, est appelée canal d’entrée. Les canaux de sortie sont des chemins possibles le long desquels une réaction se déroulera.

Règles d'enregistrement des réactions nucléaires

Les exemples donnés ci-dessous démontrent les méthodes par lesquelles il est habituel de décrire des réactions impliquant des noyaux et des particules élémentaires.

La première méthode est la même que celle utilisée en chimie : les particules initiales sont placées du côté gauche, et les produits de réaction sont placés du côté droit. Par exemple, l'interaction d'un noyau de béryllium-9 avec une particule alpha incidente (la soi-disant réaction de découverte de neutrons) s'écrit comme suit :

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Les indices supérieurs indiquent le nombre de nucléons, c'est-à-dire les nombres de masse des noyaux, les indices inférieurs indiquent le nombre de protons, c'est-à-dire les numéros atomiques. Les sommes des côtés gauche et droit doivent coïncider.

Une façon abrégée d'écrire les équations de réaction nucléaire, souvent utilisée en physique, ressemble à ceci :

9 4 Être (α, n) 12 6 C.

La forme générale de cette notation est : A (a, b 1 b 2 ...) B. Ici A est le noyau cible ; a - particule ou noyau incident ; b 1, b 2 et ainsi de suite sont des produits de réaction légers ; B est le noyau final.

Énergie des réactions nucléaires

Dans les transformations nucléaires, la loi de conservation de l'énergie est respectée (ainsi que d'autres lois de conservation). Dans ce cas, l'énergie cinétique des particules dans les canaux d'entrée et de sortie de la réaction peut différer en raison des changements dans l'énergie au repos. Puisque cette dernière est équivalente à la masse des particules, les masses avant et après la réaction seront également différentes. Mais l'énergie totale du système est toujours conservée.

La différence d'énergie au repos entre les particules entrant dans la réaction et celles qui en sortent est appelée production d'énergie et s'exprime par la variation de leur énergie cinétique.

Dans les processus impliquant les noyaux, trois types d'interactions fondamentales sont impliquées : électromagnétiques, faibles et fortes. Grâce à ce dernier, le noyau possède une caractéristique aussi importante qu'une énergie de liaison élevée entre ses particules constitutives. Il est nettement plus élevé que, par exemple, entre le noyau et les électrons atomiques ou entre les atomes des molécules. Ceci est mis en évidence par un défaut de masse notable - la différence entre la somme des masses des nucléons et la masse nucléaire, qui est toujours inférieure d'une quantité proportionnelle à l'énergie de liaison : Δm = Eb /c 2. Le défaut de masse est calculé à l'aide de la formule simple Δm = Zm p + Am n - M i, où Z est la charge nucléaire, A est le nombre de masse, m p est la masse du proton (1,00728 amu), m n est la masse des neutrons ( 1,00866 amu), M i - masse centrale.

Lors de la description des réactions nucléaires, le concept d'énergie de liaison spécifique est utilisé (c'est-à-dire par nucléon : Δmc 2 /A).

Lier l’énergie et la stabilité nucléaire

La plus grande stabilité, c'est-à-dire l'énergie de liaison spécifique la plus élevée, se distingue par les noyaux ayant un nombre de masse compris entre 50 et 90, par exemple le fer. Ce « pic de stabilité » est dû au caractère non central des forces nucléaires. Puisque chaque nucléon n’interagit qu’avec ses voisins, il est plus faiblement lié à la surface du noyau qu’à l’intérieur. Moins il y a de nucléons en interaction dans un noyau, plus l’énergie de liaison est faible, donc les noyaux légers sont moins stables. À son tour, à mesure que le nombre de particules dans le noyau augmente, les forces répulsives coulombiennes entre les protons augmentent, de sorte que l’énergie de liaison des noyaux lourds diminue également.

Ainsi, pour les noyaux légers, les réactions de fusion les plus probables, c'est-à-dire énergétiquement favorables, sont les réactions de fusion avec formation d'un noyau stable de masse moyenne, tandis que pour les noyaux lourds, au contraire, les processus de désintégration et de fission (souvent en plusieurs étapes), comme ce qui entraîne également la formation de produits plus stables. Ces réactions se caractérisent par un rendement énergétique positif et souvent très élevé, qui s'accompagne d'une augmentation de l'énergie de liaison.

Ci-dessous, nous examinerons quelques exemples de réactions nucléaires.

Réactions de désintégration

Les noyaux peuvent subir des changements spontanés de composition et de structure, au cours desquels certaines particules élémentaires ou fragments du noyau sont émis, comme des particules alpha ou des amas plus lourds.

Ainsi, lors de la désintégration alpha, rendue possible par l'effet tunnel quantique, la particule alpha surmonte la barrière potentielle des forces nucléaires et quitte le noyau mère, ce qui réduit en conséquence le numéro atomique de 2 et le nombre de masse de 4. Par exemple, un radium Le noyau -226, émettant une particule alpha, se transforme en radon-222 :

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

L'énergie de désintégration du noyau du radium 226 est d'environ 4,87 MeV.

La désintégration bêta se produit sans modification du nombre de nucléons (nombre de masse), mais avec une augmentation ou une diminution de la charge du noyau de 1, avec l'émission d'un antineutrino ou d'un neutrino, ainsi que d'un électron ou d'un positron. Un exemple de ce type de réaction nucléaire est la désintégration bêta-plus du fluor 18. Ici, l'un des protons du noyau se transforme en neutron, un positron et un neutrino sont émis, et le fluor se transforme en oxygène-18 :

18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .

L'énergie de désintégration bêta du fluor 18 est d'environ 0,63 MeV.

Fission nucléaire

Les réactions de fission produisent une production d’énergie beaucoup plus importante. C'est le nom du processus par lequel le noyau se désintègre spontanément ou de force en fragments de masse similaire (généralement deux, rarement trois) et en quelques produits plus légers. Un noyau se divise si son énergie potentielle dépasse la valeur initiale d’une certaine quantité, appelée barrière de fission. Cependant, la probabilité d'un processus spontané, même pour les noyaux lourds, est faible.

Elle augmente considérablement lorsque le noyau reçoit l'énergie correspondante de l'extérieur (lorsqu'une particule le heurte). Le neutron pénètre plus facilement dans le noyau car il n’est pas soumis aux forces de répulsion électrostatique. L'impact d'un neutron entraîne une augmentation de l'énergie interne du noyau, celui-ci se déforme avec formation d'une taille et se divise. Les fragments se dispersent sous l'influence des forces coulombiennes. Un exemple de réaction de fission nucléaire est démontré par l'uranium-235 absorbant un neutron :

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

La division en baryum-144 et krypton-89 n'est que l'un des options possibles fission de l'uranium 235. Cette réaction peut s'écrire 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, où 236 92 U* est un noyau composé hautement excité avec une énergie potentielle élevée. Son excès, ainsi que la différence d'énergies de liaison des noyaux mère et fille, sont libérés principalement (environ 80 %) sous forme d'énergie cinétique des produits de réaction, et également partiellement sous forme énergie potentielle fragments de fission. L'énergie totale de fission d'un noyau massif est d'environ 200 MeV. Pour 1 gramme d'uranium 235 (en supposant que tous les noyaux aient réagi), cela équivaut à 8,2 ∙ 10 4 mégajoules.

Réactions en chaîne

La fission de l'uranium 235, ainsi que des noyaux tels que l'uranium 233 et le plutonium 239, est caractérisée par une caractéristique importante- la présence de neutrons libres parmi les produits de réaction. Ces particules, pénétrant dans d'autres noyaux, sont à leur tour capables d'initier leur fission, toujours avec la libération de nouveaux neutrons, et ainsi de suite. Ce processus est appelé réaction nucléaire en chaîne.

Le déroulement de la réaction en chaîne dépend de la manière dont le nombre de neutrons émis de la génération suivante est en corrélation avec leur nombre dans la génération précédente. Ce rapport k = N i /N i -1 (ici N est le nombre de particules, i est le numéro d'ordre de la génération) est appelé facteur de multiplication des neutrons. À k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 le nombre de neutrons, et donc de noyaux fissiles, augmente comme une avalanche. Un exemple de réaction nucléaire en chaîne de ce type est une explosion bombe atomique. À k = 1, le processus se déroule de manière stationnaire, comme en témoigne la réaction contrôlée à l'aide de barres absorbant les neutrons, dans réacteurs nucléaires.

La fusion nucléaire

La plus grande libération d'énergie (par nucléon) se produit lors de la fusion de noyaux légers - ce qu'on appelle les réactions de fusion. Pour réagir, les noyaux chargés positivement doivent surmonter la barrière coulombienne et se rapprocher les uns des autres jusqu'à une forte distance d'interaction ne dépassant pas la taille du noyau lui-même. Ils doivent donc avoir une énergie cinétique extrêmement élevée, ce qui signifie hautes températures(des dizaines de millions de degrés et plus). Pour cette raison, les réactions de fusion sont également appelées réactions thermonucléaires.

Un exemple de réaction de fusion nucléaire est la formation d'hélium-4 avec libération d'un neutron lors de la fusion des noyaux de deutérium et de tritium :

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Ici, une énergie de 17,6 MeV est libérée, ce qui par nucléon est plus de 3 fois supérieur à l'énergie de fission de l'uranium. Parmi ceux-ci, 14,1 MeV est l’énergie cinétique du neutron et 3,5 MeV est l’énergie cinétique du noyau d’hélium-4. Une valeur aussi significative est créée en raison de l'énorme différence dans les énergies de liaison des noyaux de deutérium (2,2246 MeV) et de tritium (8,4819 MeV) d'une part, et d'hélium-4 (28,2956 MeV) d'autre part.

Dans les réactions de fission nucléaire, l'énergie de répulsion électrique est libérée, tandis que dans la fusion, l'énergie est libérée en raison de la forte interaction - la plus puissante de la nature. Cela détermine le rendement énergétique si important de ce type de réactions nucléaires.

Exemples de résolution de problèmes

Considérons la réaction de fission 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Quelle est sa production énergétique ? En général, la formule de son calcul, reflétant la différence entre les énergies au repos des particules avant et après la réaction, est la suivante :

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

Au lieu de multiplier par le carré de la vitesse de la lumière, vous pouvez multiplier la différence de masse par un facteur de 931,5 pour obtenir la valeur énergétique en mégaélectronvolts. Remplacer les valeurs correspondantes dans la formule masses atomiques, on a:

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

Un autre exemple est la réaction de synthèse. C'est l'une des étapes du cycle proton-proton - la principale source d'énergie solaire.

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

Appliquons la même formule :

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

La part principale de cette énergie - 12,8 MeV - revient dans ce cas au photon gamma.

Nous n'avons considéré que les exemples les plus simples de réactions nucléaires. La physique de ces processus est extrêmement complexe ; ils sont extrêmement divers. L'étude et l'application des réactions nucléaires ont grande importance tant dans le domaine pratique (énergie) que dans les sciences fondamentales.

Réaction nucléaire – c'est la transformation des noyaux atomiques lors de l'interaction avec des particules élémentaires(y compris avec les quanta γ) ou entre eux. Le type de réaction nucléaire le plus courant est la réaction écrite symboliquement comme suit :

Où X Et Oui– les noyaux initiaux et finaux, UN Et b– une particule bombardée et émise (ou émise) lors d’une réaction nucléaire.

DANS Physique nucléaire l'efficacité de l'interaction est caractérisée section efficace σ. Chaque type d’interaction particule-noyau est associé à sa propre section efficace : section efficace de diffusion ;section efficace d'absorption .

La section efficace efficace de la réaction nucléaire σ est trouvée par la formule :

,

(9.5.1)

Où N– le nombre de particules tombant par unité de temps par unité de surface transversale d'une substance ayant par unité de volume n noyaux ; d N est le nombre de ces particules réagissant dans une couche d'épaisseur d X. La section efficace efficace σ a la dimension de l'aire et caractérise la probabilité qu'une réaction se produise lorsqu'un faisceau de particules tombe sur une substance.

Unité de mesure de la section efficace efficace des procédés nucléaires – Grange (1 grange = 10-28 m2).

Dans toute réaction nucléaire sont en cours lois sur la conservation charges électriques Et nombres de masse : somme des charges(et somme des nombres de masse) noyaux et particules, la réaction est égale à la somme des charges(et somme des nombres de masse) produits finaux(noyaux et particules) réactions. En cours Aussi lois de conservation de l'énergie , impulsion Et moment cinétique .

Contrairement à désintégration radioactive, qui procède toujours à la libération d'énergie, les réactions nucléaires peuvent être comme exothermique (avec libération d'énergie), et endothermique (avec absorption d'énergie).

Le rôle le plus important dans l’explication du mécanisme de nombreuses réactions nucléaires a été joué par l’hypothèse de N. Bohr (1936) selon laquelle les réactions nucléaires se déroulent en deux étapes selon le schéma suivant:

Première étape – c'est la capture par le noyau X particules un, s'en approchant à la distance d'action des forces nucléaires (environ), et formation d'un noyau intermédiaire AVEC, appelé composite (ou noyau composé). L'énergie d'une particule volant dans le noyau est rapidement distribuée entre les nucléons du noyau composé, de sorte qu'elle se retrouve dans un état excité. Lorsque des nucléons entrent en collision dans un noyau composé, l'un des nucléons (ou une combinaison d'entre eux, comme un deuton) ou α - la particule peut recevoir une énergie suffisante pour s'échapper du noyau. Il en résulte deuxième étape de la réaction nucléaire – désintégration d’un noyau composé en noyau Oui et une particule b.

En physique nucléaire, il est introduit caractéristique temps nucléaire – temps,nécessaire pour qu'une particule parcoure une distance de l'ordre de grandeur égale au diamètre du noyau(). Ainsi pour une particule ayant une énergie de 1 MeV (ce qui correspond à sa vitesse de 10 7 m/s), le temps nucléaire caractéristique est de 0. Par contre, il a été prouvé que la durée de vie d'un noyau composé est de 10 –16 – 10 –12 s, soit est (10 6 – 10 10)τ. Cela signifie que pendant la durée de vie d'un noyau composé, de nombreuses collisions de nucléons entre eux peuvent se produire, c'est-à-dire la redistribution de l'énergie entre les nucléons est en effet possible. Par conséquent, le noyau composé vit si longtemps qu’il « oublie » complètement comment il s’est formé. Par conséquent, la nature de la désintégration du noyau composé (les particules émises par celui-ci b) – la deuxième étape d’une réaction nucléaire – ne dépend pas de la méthode de formation du noyau composé, la première étape.

Si la particule émise est identique à celle capturée (), alors le schéma (4.5.2) décrit la diffusion de la particule : élastique – à ; inélastique – à . Si la particule émise n'est pas identique à celle capturée (), alors nous avons des similitudes avec une réaction nucléaire dans littéralement mots.

Certaines réactions ont lieu sans formation de noyau composé, Ils s'appellent interactions nucléaires directes(par exemple, réactions provoquées par des nucléons rapides et des deutons).

Les réactions nucléaires sont classées selon les critères suivants:

· par le type de particules impliquées dans celles-ci - réactions sous l'influence de neutrons ; réactions sous l'influence de particules chargées (par exemple, protons, deutons, particules α) ; réactions sous l'influence des quanta γ ;

· selon l'énergie des particules qui les provoquent - des réactions à basses énergies (de l'ordre de l'électron-volt), se produisant principalement avec la participation de neutrons ; réactions à moyennes énergies (jusqu'à plusieurs MeV), se produisant avec la participation de quanta γ et de particules chargées (protons, particules α) ; réactions qui se produisent lorsque hautes énergies(centaines et milliers de MeV), conduisant à l'apparition de particules élémentaires absentes à l'état libre et revêtant une grande importance pour leur étude ;

· par le type de noyaux impliqués dans ceux-ci - réactions sur les noyaux légers (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);

· selon la nature des transformations nucléaires en cours - réactions avec émission de neutrons ; réactions avec émission de particules chargées ; réactions de capture (dans ces réactions, le noyau composé n'émet aucune particule, mais passe à l'état fondamental, émettant un ou plusieurs quanta γ).

Pour voir les démos, cliquez sur le lien hypertexte approprié :