Kodolreakcijas: vienkāršas un skaidras. Fizikas problēmu risināšana: kodolreakcijas

Cilvēks ilgu laiku nepameta sapni par elementu savstarpēju transformāciju – precīzāk, par transformāciju dažādi metāli vienā. Apzinoties šo mēģinājumu bezjēdzību, tika izveidots viedoklis par ķīmisko elementu neaizskaramību. Un tikai kodola uzbūves atklāšana 20. gadsimta sākumā parādīja, ka elementu pārvēršanās vienam par otru ir iespējama - bet ne ar ķīmiskām metodēm, tas ir, ietekmējot atomu ārējos elektronu apvalkus, bet gan traucējot. ar atoma kodola uzbūvi. Šāda veida (un dažas citas) parādības ir saistītas ar kodolreakcijām, kuru piemēri tiks aplūkoti turpmāk. Bet vispirms ir jāatgādina daži pamatjēdzieni, kas būs nepieciešami šīs diskusijas gaitā.

Kodolreakciju vispārīgs jēdziens

Ir parādības, kurās viena vai otra elementa atoma kodols mijiedarbojas ar citu kodolu vai kādu elementārdaļiņu, tas ir, apmainās ar tiem enerģiju un impulsu. Šādus procesus sauc par kodolreakcijām. To rezultāts var būt kodola sastāva izmaiņas vai jaunu kodolu veidošanās ar noteiktu daļiņu emisiju. Šajā gadījumā ir pieejamas tādas iespējas kā:

• viena ķīmiskā elementa pārvēršana citā;
• saplūšana, tas ir, kodolu saplūšana, kurā veidojas smagāka elementa kodols.

Reakcijas sākotnējo fāzi, ko nosaka tajā ienākošo daļiņu veids un stāvoklis, sauc par ieplūdes kanālu. Izejas kanāli ir iespējamie reakcijas ceļi.

Kodolreakciju reģistrēšanas noteikumi

Tālāk minētie piemēri parāda veidus, kādos ir ierasts aprakstīt reakcijas, kurās iesaistīti kodoli un elementārdaļiņas.

Pirmā metode ir tāda pati kā ķīmijā: sākotnējās daļiņas tiek novietotas kreisajā pusē, bet reakcijas produkti atrodas labajā pusē. Piemēram, berilija-9 kodola mijiedarbība ar krītošu alfa daļiņu (tā sauktā neitronu atklāšanas reakcija) tiek rakstīta šādi:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Augšējie indeksi norāda nukleonu skaitu, tas ir, kodolu masas skaitu, zemākie indeksi, protonu skaitu, tas ir, atomu skaitļus. Summām gan kreisajā, gan labajā pusē jāsakrīt.

Saīsināts kodolreakciju vienādojumu rakstīšanas veids, ko bieži izmanto fizikā, izskatās šādi:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Šāda ieraksta vispārīgā forma ir: A (a, b 1 b 2 ...) B. Šeit A ir mērķa kodols; a - krītošā daļiņa vai kodols; b 1 , b 2 un tā tālāk - gaismas reakcijas produkti; B ir pēdējais kodols.

Kodolreakciju enerģija

Kodolpārveidojumos tiek izpildīts enerģijas nezūdamības likums (kopā ar citiem saglabāšanas likumiem). Kurā kinētiskā enerģija daļiņas reakcijas ieejas un izejas kanālos var atšķirties, jo mainās pārējā enerģija. Tā kā pēdējais ir līdzvērtīgs daļiņu masai, arī masas pirms un pēc reakcijas būs atšķirīgas. Bet sistēmas kopējā enerģija vienmēr tiek saglabāta.

Daļiņu miera enerģijas starpību, kas nonāk reakcijā un atstāj to, sauc par enerģijas ieguvi, un to izsaka to kinētiskās enerģijas izmaiņās.

Procesos, kuros iesaistīti kodoli, tiek iesaistīti trīs fundamentālo mijiedarbību veidi - elektromagnētiskā, vājā un spēcīga. Pateicoties pēdējam, kodolam ir tik svarīga iezīme kā augsta saistīšanās enerģija starp tā sastāvā esošajām daļiņām. Tas ir ievērojami augstāks nekā, piemēram, starp kodolu un atomu elektroniem vai starp atomiem molekulās. Par to liecina manāms masas defekts - starpība starp nukleonu masu summu un kodola masu, kas vienmēr ir mazāka par saistīšanas enerģijai proporcionālu vērtību: Δm = E St / c 2 . Masas defektu aprēķina, izmantojot vienkāršu formulu Δm = Zm p + Am n - M i, kur Z ir kodola lādiņš, A ir masas skaitlis, m p ir protona masa (1,00728 a.m.u.), m n ir kodola masa. neitrons ( 1,00866 amu), M i ir kodola masa.

Aprakstot kodolreakcijas, tiek izmantots īpatnējās saistīšanas enerģijas jēdziens (tas ir, uz vienu nukleonu: Δmc 2 /A).

Saistoša enerģija un kodolstabilitāte

Visstabilākā, tas ir, augstākā īpatnējā saistīšanās enerģija, ir kodoli ar masas skaitli no 50 līdz 90, piemēram, dzelzs. Šī "stabilitātes virsotne" ir saistīta ar kodolspēku necentrālo raksturu. Tā kā katrs nukleons mijiedarbojas tikai ar saviem kaimiņiem, tas ir vājāk saistīts ar kodola virsmu nekā iekšpusē. Jo mazāk mijiedarbojošo nukleonu kodolā, jo zemāka saistīšanās enerģija, tāpēc vieglie kodoli ir mazāk stabili. Savukārt, palielinoties daļiņu skaitam kodolā, palielinās Kulona atgrūšanas spēki starp protoniem, līdz ar to samazinās arī smago kodolu saistīšanās enerģija.

Tādējādi vieglajiem kodoliem visticamākās, tas ir, enerģētiski labvēlīgākās, ir saplūšanas reakcijas ar stabila vidējas masas kodola veidošanos, savukārt smagajiem, gluži pretēji, sabrukšanas un skaldīšanas procesi (bieži daudzpakāpju), kā kā rezultātā veidojas arī stabilāki produkti. Šīm reakcijām ir raksturīga pozitīva un bieži vien ļoti augsta enerģijas atdeve, kas pavada saistīšanas enerģijas pieaugumu.

Tālāk mēs aplūkojam dažus kodolreakciju piemērus.

Sabrukšanas reakcijas

Kodolos var notikt spontānas sastāva un struktūras izmaiņas, kuru laikā tiek emitētas dažas elementāras daļiņas vai kodola fragmenti, piemēram, alfa daļiņas vai smagāki kopas.

Tātad alfa sabrukšanas laikā, kas ir iespējama kvantu tunelēšanas dēļ, alfa daļiņa pārvar potenciālo kodolspēku barjeru un atstāj pamatkodolu, kas attiecīgi samazina atomskaitli par 2 un masas skaitli par 4. Piemēram, , rādija-226 kodols, kas izstaro alfa daļiņu, pārvēršas par radonu-222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Rādija-226 kodola sabrukšanas enerģija ir aptuveni 4,87 MeV.

Izraisītā beta sabrukšana notiek bez nukleonu skaita (masas skaita) izmaiņām, bet ar kodollādiņa palielināšanos vai samazināšanos par 1, izdalot antineitrīnu vai neitrīno, kā arī elektronu vai pozitronu. Šāda veida kodolreakcijas piemērs ir fluora-18 beta-plus sabrukšana. Šeit viens no kodola protoniem pārvēršas par neitronu, izdalās pozitrons un neitrīno, un fluors pārvēršas par skābekli-18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + v e .

Fluora-18 beta sabrukšanas enerģija ir aptuveni 0,63 MeV.

Kodola skaldīšana

Sadalīšanās reakcijām ir daudz lielāka enerģijas ieguve. Tā sauc procesu, kurā kodols spontāni vai piespiedu kārtā sadalās masveidā tuvu fragmentos (parasti divos, retāk trīs) un dažos vieglākos produktos. Kodols tiek sadalīts, ja tā potenciālā enerģija pārsniedz sākotnējo vērtību par noteiktu daudzumu, ko sauc par skaldīšanas barjeru. Tomēr spontāna procesa iespējamība pat smagajiem kodoliem ir zema.

Tas ievērojami palielinās, kad kodols saņem atbilstošo enerģiju no ārpuses (kad tajā nonāk daļiņa). Neitrons visvieglāk iekļūst kodolā, jo tas nav pakļauts elektrostatiskajiem atgrūšanas spēkiem. Neitrona sitiens izraisa kodola iekšējās enerģijas palielināšanos, tas tiek deformēts, veidojoties kaklam un skaldīšanai. Fragmenti sadalās Kulona spēku ietekmē. Kodola skaldīšanas reakcijas piemērs parāda, ka urāns-235 absorbē neitronu:

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

Sadalīšana bārijā-144 un kriptonā-89 ir tikai viena no tām iespējas urāna-235 skaldīšana. Šo reakciju var uzrakstīt kā 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, kur 236 92 U* ir ļoti ierosināts salikts kodols ar augstu potenciālo enerģiju. Tā pārpalikums, kā arī atšķirības vecāku un meitas kodolu saistīšanas enerģijā, izdalās galvenokārt (apmēram 80%) reakcijas produktu kinētiskās enerģijas veidā, kā arī daļēji sadalīšanās potenciālās enerģijas veidā. fragmenti. Masīva kodola kopējā skaldīšanas enerģija ir aptuveni 200 MeV. Runājot par 1 gramu urāna-235 (pieņemot, ka visi kodoli ir reaģējuši), tas ir 8,2 ∙ 10 4 megadžouli.

ķēdes reakcijas

Urāna-235, kā arī tādu kodolu kā urāna-233 un plutonija-239 skaldīšanu raksturo viens svarīga iezīme- brīvo neitronu klātbūtne starp reakcijas produktiem. Šīs daļiņas, iekļūstot citos kodolos, savukārt spēj ierosināt to skaldīšanu, atkal ar jaunu neitronu emisiju utt. Šo procesu sauc par kodola ķēdes reakciju.

Plūsma ķēdes reakcija atkarīgs no tā, kā nākamās paaudzes emitēto neitronu skaits korelē ar to skaitu in iepriekšējā paaudze. Šo attiecību k = N i /N i -1 (šeit N ir daļiņu skaits, i ir paaudzes kārtas numurs) sauc par neitronu reizināšanas koeficientu. Par k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 neitronu skaits un līdz ar to skaldāmo kodolu skaits palielinās kā lavīna. Šāda veida kodolķēdes reakcijas piemērs ir atombumbas sprādziens. Ja k = 1, process ir stacionārs, kā piemērs ir reakcija, ko kontrolē neitronus absorbējoši stieņi, kodolreaktori.

Kodolsintēze

Vislielākā enerģijas izdalīšanās (uz vienu nukleonu) notiek vieglo kodolu saplūšanas laikā – tā sauktajās saplūšanas reakcijās. Lai uzsāktu reakciju, pozitīvi lādētiem kodoliem jāpārvar Kulona barjera un jātuvojas spēcīgas mijiedarbības attālumā, nepārsniedzot paša kodola izmēru. Tāpēc tiem jābūt ar ārkārtīgi augstu kinētisko enerģiju, kas nozīmē augstu temperatūru (desmitiem miljonu grādu un augstāk). Šī iemesla dēļ saplūšanas reakcijas sauc arī par saplūšanas reakcijām.

Kodolsintēzes reakcijas piemērs ir hēlija-4 veidošanās ar neitrona emisiju deitērija un tritija kodolu saplūšanas laikā:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Šeit tiek atbrīvota enerģija 17,6 MeV, kas uz vienu nukleonu ir vairāk nekā 3 reizes lielāka par urāna skaldīšanas enerģiju. No tiem 14,1 MeV krīt uz neitrona kinētisko enerģiju un 3,5 MeV - hēlija-4 kodolu. Tik nozīmīga vērtība rodas, pateicoties milzīgajai atšķirībai deitērija (2,2246 MeV) un tritija (8,4819 MeV) kodolu saistīšanā, no vienas puses, un hēlija-4 (28,2956 MeV), no otras puses.

Kodola skaldīšanas reakcijās tiek atbrīvota elektriskās atgrūšanās enerģija, savukārt saplūšanā enerģija tiek atbrīvota spēcīgas mijiedarbības dēļ - visspēcīgākais dabā. Tas nosaka tik ievērojamu šāda veida kodolreakciju enerģijas ieguvi.

Problēmu risināšanas piemēri

Aplūkosim skaldīšanas reakciju 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Kāda ir tā enerģijas atdeve? AT vispārējs skats tās aprēķina formula, kas atspoguļo atšķirību starp daļiņu miera enerģiju pirms un pēc reakcijas, ir šāda:

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

Tā vietā, lai reizinātu ar gaismas ātruma kvadrātu, jūs varat reizināt masu starpību ar koeficientu 931,5, lai iegūtu enerģijas vērtību megaelektronvoltos. Atbilstošo vērtību aizstāšana formulā atomu masas, mēs iegūstam:

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

Vēl viens piemērs ir saplūšanas reakcija. Šis ir viens no protonu-protonu cikla posmiem - galvenais saules enerģijas avots.

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

Izmantosim to pašu formulu:

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

Galvenā šīs enerģijas daļa - 12,8 MeV - šajā gadījumā krīt uz gamma fotonu.

Mēs esam apsvēruši tikai vienkāršākos kodolreakciju piemērus. Šo procesu fizika ir ārkārtīgi sarežģīta, tie ir ļoti dažādi. Kodolreakciju izpētei un pielietošanai ir liela nozīme gan praktiskajā jomā (enerģētikā), gan fundamentālajā zinātnē.

>> Kodolreakcijas

§ 106 KODOLREAKCIJAS

Mijiedarbības laikā atomu kodoli tiek pārveidoti. Šīs pārvērtības pavada tajās iesaistīto daļiņu kinētiskās enerģijas palielināšanās vai samazināšanās.

Kodolreakcijas sauc par izmaiņām atomu kodolos, kad tie mijiedarbojas ar elementārdaļiņām vai savā starpā. Jūs jau esat iepazinies ar kodolreakciju piemēriem 103. §. Kodolreakcijas notiek, kad daļiņas tuvojas kodolam un nonāk kodolspēku darbības sfērā. Līdzīgi uzlādētas daļiņas atgrūž viena otru. Tāpēc pozitīvi lādētu daļiņu tuvošanās kodoliem (vai kodolu vienam otram) ir iespējama, ja šīm daļiņām (vai kodoliem) tiek piešķirta pietiekami liela kinētiskā enerģija. Šī enerģija ar paātrinātāju palīdzību tiek nodota protoniem, deitērija kodoliem - deuteroniem, -daļiņām un citiem smagākiem kodoliem.

Kodolreakciju īstenošanai šī metode ir daudz efektīvāka nekā izmantot hēlija kodolus, ko emitē radioaktīvie elementi. Pirmkārt , ar paātrinātāju palīdzību daļiņām var piešķirt enerģiju, kas ir aptuveni 10 5 MeV, t.i., daudz lielāka nekā a-daļiņām (maksimums 9 MeV). Otrkārt , var izmantot protonus, kas neparādās radioaktīvās sabrukšanas procesā (tas ir ieteicams, jo protonu lādiņš ir uz pusi mazāks par -daļiņu lādiņu, un līdz ar to arī atgrūšanas spēks, kas uz tiem iedarbojas no kodoliem, ir 2 reizes mazāks). Treškārt , ir iespējams paātrināt kodolus, kas ir smagāki par hēlija kodoliem.

Pirmā kodolreakcija uz ātrajiem protoniem tika veikta 1932. gadā. Bija iespējams sadalīt litiju divās daļiņās:

Relativitātes teorija saka, ka masa ir īpaša forma enerģiju. No tā izriet, ka ir iespējams masu pārvērst enerģijā un enerģiju masā. Intraatomiskā līmenī šādas reakcijas notiek. Jo īpaši noteikts masas daudzums pati par sevi var pārvērsties enerģijā. Tas notiek vairākos veidos. Pirmkārt, kodols var sadalīties vairākos mazākos kodolos, šo reakciju sauc par "sabrukšanu". Otrkārt, mazākus kodolus var viegli apvienot, lai izveidotu lielāku - tā ir saplūšanas reakcija. Visumā šādas reakcijas ir ļoti izplatītas. Pietiek pateikt, ka kodolsintēzes reakcija ir enerģijas avots zvaigznēm. Bet sabrukšanas reakciju cilvēce izmanto, jo cilvēki ir iemācījušies kontrolēt šos sarežģītos procesus. Bet kas ir kodola ķēdes reakcija? Kā to pārvaldīt?

Kas notiek atoma kodolā

Kodola ķēdes reakcija ir process, kas notiek, elementārdaļiņām vai kodoliem saduroties ar citiem kodoliem. Kāpēc "ķēde"? Šis ir secīgu atsevišķu kodolreakciju kopums. Šī procesa rezultātā notiek sākotnējā kodola kvantu stāvokļa un nukleonu sastāva izmaiņas, parādās pat jaunas daļiņas - reakcijas produkti. Kodolķēdes reakcija, kuras fizika ļauj pētīt kodolu mijiedarbības mehānismus ar kodoliem un daļiņām, ir galvenā metode jaunu elementu un izotopu iegūšanai. Lai saprastu ķēdes reakcijas gaitu, vispirms jātiek galā ar atsevišķiem.

Kas ir nepieciešams reakcijai

Lai veiktu tādu procesu kā kodola ķēdes reakciju, ir nepieciešams tuvināt daļiņas (kodols un nukleons, divi kodoli) spēcīgās mijiedarbības rādiusa attālumā (apmēram viens fermi). Ja attālumi ir lieli, tad uzlādēto daļiņu mijiedarbība būs tīri Kulona. Kodolreakcijā tiek ievēroti visi likumi: enerģijas saglabāšana, impulss, impulss, bariona lādiņš. Kodolķēdes reakciju apzīmē ar simbolu kopu a, b, c, d. Simbols a apzīmē sākotnējo kodolu, b apzīmē ienākošo daļiņu, c jauno izejošo daļiņu un d apzīmē iegūto kodolu.

Reakcijas enerģija

Kodolķēdes reakcija var notikt gan ar enerģijas absorbciju, gan izdalīšanos, kas ir vienāda ar daļiņu masu starpību pēc reakcijas un pirms tās. Absorbētā enerģija nosaka sadursmes minimālo kinētisko enerģiju, tā saukto kodolreakcijas slieksni, pie kuras tā var brīvi noritēt. Šis slieksnis ir atkarīgs no mijiedarbībā iesaistītajām daļiņām un to īpašībām. Uz sākuma stadija visas daļiņas atrodas iepriekš noteiktā kvantu stāvoklī.

Reakcijas īstenošana

Galvenais lādēto daļiņu avots, kas bombardē kodolu, ir tas, kas rada protonu, smago jonu un vieglo kodolu starus. Lēni neitroni tiek iegūti, izmantojot kodolreaktorus. Lai fiksētu nejauši lādētas daļiņas, var izmantot dažāda veida kodolreakcijas, gan saplūšanu, gan sabrukšanu. To iespējamība ir atkarīga no sadursmē esošo daļiņu parametriem. Šī iespējamība ir saistīta ar tādu raksturlielumu kā reakcijas šķērsgriezums - efektīvā laukuma vērtība, kas raksturo kodolu kā krītošu daļiņu mērķi un kas mēra varbūtību, ka daļiņa un kodols nonāks mijiedarbībā. Ja reakcijā piedalās daļiņas ar griešanos, kas nav nulle, tad šķērsgriezums ir tieši atkarīgs no to orientācijas. Tā kā krītošo daļiņu spini nav pilnībā nejauši orientēti, bet gan vairāk vai mazāk sakārtoti, visi asinsķermenīši būs polarizēti. Orientētu staru spinu kvantitatīvo raksturlielumu raksturo polarizācijas vektors.

reakcijas mehānisms

Kas ir kodola ķēdes reakcija? Kā jau minēts, šī ir vairāku darbību secība vienkāršas reakcijas. Krītošās daļiņas īpašības un tās mijiedarbība ar kodolu ir atkarīgas no masas, lādiņa un kinētiskās enerģijas. Mijiedarbību nosaka sadursmes laikā ierosināto kodolu brīvības pakāpe. Kontroles iegūšana pār visiem šiem mehānismiem ļauj veikt tādu procesu kā kontrolēta kodolķēdes reakcija.

Tiešas reakcijas

Ja lādēta daļiņa, kas ietriecas mērķa kodolā, tai tikai pieskaras, tad sadursmes ilgums būs vienāds ar attālumu, kas nepieciešams, lai pārvarētu kodola rādiusu. Šādu kodolreakciju sauc par tiešu reakciju. Vispārējs raksturojums visām šāda veida reakcijām ir neliela skaita brīvības pakāpju ierosināšana. Šādā procesā pēc pirmās sadursmes daļiņai joprojām ir pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu kodola pievilcību. Piemēram, tādas mijiedarbības kā neelastīga neitronu izkliede, lādiņu apmaiņa un attiecas uz tiešo. Šādu procesu ieguldījums raksturojumā, ko sauc par "kopējo šķērsgriezumu", ir diezgan niecīgs. Taču tiešās kodolreakcijas pārejas produktu sadalījums ļauj noteikt emisijas varbūtību no staru kūļa virziena leņķa, apdzīvoto stāvokļu selektivitāti un noteikt to struktūru.

Pirmslīdzsvara emisija

Ja daļiņa pēc pirmās sadursmes neatstāj kodola mijiedarbības reģionu, tad tā tiks iesaistīta veselā secīgu sadursmju kaskādē. Tas patiesībā ir tikai tas, ko sauc par kodolķēdes reakciju. Šīs situācijas rezultātā daļiņas kinētiskā enerģija tiek sadalīta starp kodola sastāvdaļām. Paša kodola stāvoklis pakāpeniski kļūs daudz sarežģītāks. Šī procesa laikā noteikts nukleons vai vesela kopa (nukleonu grupa) var koncentrēt enerģiju, kas ir pietiekama šī nukleona emisijai no kodola. Tālāka relaksācija novedīs pie statistiskā līdzsvara veidošanās un saliktā kodola veidošanās.

ķēdes reakcijas

Kas ir kodola ķēdes reakcija? Šī ir viņas secība sastāvdaļas. Tas ir, vairāki secīgi singli kodolreakcijas, ko izraisa uzlādētas daļiņas, iepriekšējās darbībās parādās kā reakcijas produkti. Kas ir kodola ķēdes reakcija? Piemēram, smago kodolu dalīšanās, kad vairākus dalīšanās notikumus ierosina neitroni, kas iegūti iepriekšējo sabrukšanas laikā.

Kodolķēdes reakcijas iezīmes

Starp visiem ķīmiskās reakcijasķēdes tiek plaši izmantotas. Daļiņas ar neizmantotām saitēm spēlē brīvo atomu vai radikāļu lomu. Tādā procesā kā kodola ķēdes reakcija tās rašanās mehānismu nodrošina neitroni, kuriem nav Kulona barjeras un uzbudina kodolu pēc absorbcijas. Ja barotnē parādās vajadzīgā daļiņa, tad tas izraisa sekojošu transformāciju ķēdi, kas turpināsies, līdz ķēde pārtrūkst nesējdaļiņas zuduma dēļ.

Kāpēc pārvadātājs ir pazudis

Nepārtrauktas reakciju ķēdes nesējdaļiņas zudumam ir tikai divi iemesli. Pirmais sastāv no daļiņas absorbcijas bez sekundārās emisijas procesa. Otrais ir daļiņas aiziešana ārpus tās vielas tilpuma robežas, kas atbalsta ķēdes procesu.

Divu veidu process

Ja katrā ķēdes reakcijas periodā dzimst tikai viena nesējdaļiņa, tad šo procesu var saukt par nesazarotu. Tas nevar novest pie enerģijas atbrīvošanas lielā mērogā. Ja ir daudz nesējdaļiņu, tad to sauc par sazarotu reakciju. Kas ir kodola ķēdes reakcija ar atzarojumu? Viena no iepriekšējā cēlienā iegūtajām sekundārajām daļiņām turpinās agrāk iesākto ķēdi, bet pārējās radīs jaunas reakcijas, kas arī sazarosies. Šis process konkurēs ar procesiem, kas noved pie pārtraukuma. Rezultātā radusies situācija izraisīs īpašas kritiskas un ierobežojošas parādības. Piemēram, ja ir vairāk pārtraukumu nekā tīri jaunas ķēdes, reakcijas pašpietiekamība būs neiespējama. Pat ja tas tiek mākslīgi ierosināts, ievadot nepieciešamo daļiņu skaitu dotajā vidē, process ar laiku tomēr samazināsies (parasti diezgan ātri). Ja jaunu ķēžu skaits pārsniedz pārtraukumu skaitu, tad visā vielā sāks izplatīties kodolķēdes reakcija.

Kritiskā situācija

Kritiskais stāvoklis atdala vielas stāvokļa reģionu ar attīstītu pašpietiekamu ķēdes reakciju un reģionu, kurā šī reakcija vispār nav iespējama. Šo parametru raksturo vienlīdzība starp jauno ķēžu skaitu un iespējamo pārtraukumu skaitu. Tāpat kā brīvas nesējdaļiņas klātbūtne, kritiskais stāvoklis ir galvenā pozīcija tādā sarakstā kā "nosacījumi kodolenerģijas ķēdes reakcijas īstenošanai". Šī stāvokļa sasniegšanu var noteikt vairāki iespējamie faktori. Smago elementu ierosina tikai viens neitrons. Tāda procesa kā kodola skaldīšanas ķēdes reakcijas rezultātā rodas vairāk neitronu. Tāpēc šis process var radīt sazarotu reakciju, kurā neitroni darbosies kā nesēji. Gadījumā, ja neitronu uztveršanas ātrums bez skaldīšanas vai izplūdes (zaudēšanas ātrums) tiek kompensēts ar nesējdaļiņu pavairošanas ātrumu, ķēdes reakcija turpināsies stacionārā režīmā. Šī vienlīdzība raksturo reizināšanas koeficientu. Iepriekš minētajā gadījumā tas ir vienāds ar vienu. Sakarā ar ieviešanu starp enerģijas izdalīšanās ātrumu un reizināšanas koeficientu, ir iespējams kontrolēt kodolreakcijas gaitu. Ja šis koeficients ir lielāks par vienu, reakcija attīstīsies eksponenciāli. Kodolieročos tiek izmantotas nekontrolētas ķēdes reakcijas.

Kodolķēdes reakcija enerģētikā

Reaktora reaktivitāti nosaka liels skaits procesu, kas notiek tā kodolā. Visas šīs ietekmes nosaka tā sauktais reaktivitātes koeficients. Grafīta stieņu, dzesēšanas šķidrumu vai urāna temperatūras izmaiņu ietekmi uz reaktora reaktivitāti un tāda procesa kā kodolķēdes reakcijas intensitāti raksturo temperatūras koeficients(dzesēšanas šķidrumam, urānam, grafītam). Ir arī atkarīgi raksturlielumi jaudai, barometriskajiem indikatoriem, tvaika indikatoriem. Lai uzturētu kodolreakciju reaktorā, daži elementi ir jāpārvērš citos. Lai to izdarītu, ir jāņem vērā kodola ķēdes reakcijas plūsmas nosacījumi - vielas klātbūtne, kas sabrukšanas laikā spēj sadalīties un atbrīvot no sevis noteiktu skaitu elementārdaļiņu, kuras rezultātā. , izraisīs atlikušo kodolu sadalīšanos. Kā šādas vielas bieži izmanto urānu-238, urānu-235, plutoniju-239. Kodolķēdes reakcijas laikā šo elementu izotopi sadalīsies un veidos divus vai vairākus citus. ķīmiskās vielas. Šajā procesā tiek izstaroti tā sauktie "gamma" stari, notiek intensīva enerģijas izdalīšanās, veidojas divi vai trīs neitroni, kas spēj turpināt reakcijas aktus. Ir lēnie neitroni un ātrie, jo, lai atoma kodols sadalītos, šīm daļiņām ir jālido ar noteiktu ātrumu.

Neitronu un tā īpašību atklāšana

Kodolreakcijas neitronu ietekmē notiek īpaša vieta kodolfizikā. Sakarā ar to, ka neitronam nav elektriskā lādiņa, tas brīvi iekļūst jebkurā atoma kodolā un izraisa kodolreakcijas. Vispirms apsveriet neitronu īpašības.
Neitrons tika atklāts pēc Rezerforda prognozes 1920. gadā.
Betes un Bekera (1930) eksperimentos berilija kodoli tika apstaroti ar α-daļiņām un reģistrēts neitrāls starojums, kura raksturs netika noteikts.

α + Be → neitrāls starojums (kas?, γ?).

Joliot-Curie (1932) eksperimentos α-daļiņas tika novirzītas uz berilija mērķi un pēc tam uz parafīnu, lai noteiktu neitrāla starojuma raksturu. Pēc parafīna mērķa tika novērota protonu izdalīšanās. Pieredzes shēma ir parādīta zemāk.

α + Be → parafīns → lpp

Tika reģistrēti atsitiena protoni ar Е р = 4,3 MeV. Radās jautājums: kuru daļiņu ietekmē tās veidojās?
Ja tos izraisīja γ-kvanti, tad γ-kvantu E γ enerģijai vajadzēja būt ~ 50 MeV. No šīs reakcijas nevarēja parādīties γ-kvanti ar šādu enerģiju.
Čedviks analizēja šos eksperimentus un ierosināja, ka reakcijas rezultātā tiek emitētas neitrālas daļiņas, kuru masa ir salīdzināma ar protona masu. Tad viņš veica eksperimentu mākoņu kamerā un novēroja slāpekļa atsitiena kodolus. Viņš salīdzināja šos rezultātus ar Džolio-Kirī eksperimentu rezultātiem, kuros tika reģistrēti parafīna atsitiena protoni, un noteica šīs neitrālās daļiņas masu pēc enerģijas nezūdamības likumiem.

un impulsu

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

kur N ir slāpekļa kodols; v 1 ir neitrālās daļiņas ātrums pēc sadursmes; m 1 ir neitrālās daļiņas masa. Izrādījās, ka tas ir tuvu protona masai

Tādējādi kļuva skaidrs, ka Džolio-Kirī eksperimentos notika reakcija, kurā tika emitētas neitrālas daļiņas, neitroni:

α + 9 Be → 12 C+ n.

Kad viņi atsitās pret parafīnu, viņi izsita atsitiena protonus ar enerģiju Ер = 4,3 MeV.

Neitrona īpašības, kas iegūtas daudzos eksperimentos, ir parādītas zemāk:
masa − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a.u. ēst.,
magnētiskais moments - μ n = -1,91 μ i,
spin – J = ћ/2,
kalpošanas laiks − τ n = (10,61 ±0,16) min,
R.m.s. rādiuss − = (0,78 ± 0,18) 10 -2 fm 2 .

Kodolreakcijas ne tikai sniedz jaunu informāciju par kodolspēku būtību un īpašībām, bet arī tiek izmantotas praksē tautsaimniecība un militārajās lietās. Tas galvenokārt attiecas uz kodolreakcijām neitronu iedarbībā ar zemu enerģiju.

11.4. Neitronu avoti

Neitronu avoti ir dažādas kodolreakcijas.

Rīsi. 88: neitronu spektrs.

1. Tiek izmantots rādija maisījums ar beriliju (dažreiz polonijs ar beriliju), kur notiek reakcija

α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.

Neitrona T kinētiskā enerģija ir sadalīta pa spektru
(88. att.).
Ra sabrukšanas rezultātā rodas α-daļiņas ar enerģijām 4,8 MeV un 7,7 MeV. Tie reaģē ar 9 Be un rada neitronu plūsmu. Neitronu enerģijas izplatība ir saistīta ar to, ka dažādas enerģijas α-daļiņas rada dažādas enerģijas neitronus. Oglekļa kodols 12 C veidojas grunts un ierosinātā stāvoklī.
Neitronu iznākums ir ~ 10 7 neitroni uz 1 g Ra sekundē. Tajā pašā laikā tiek izstaroti γ stari.

2. Citi neitronu avoti ir fotonukleārās reakcijas (γ,n), kas rada lēnus un monohromatiskus neitronus.

γ + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.

Tiek izmantots ThC" (208 Tl). Tas izstaro γ-kvantus ar Е γ ~ 2,62 MeV un Е n ~ E p; T n ~20 keV.

3. Be fotosairšana ar fotoniem ar enerģiju E γ = 1,78 MeV

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

4. Neitronu emisija, iedarbojoties uz paātrinātiem deuteroniem ar E d = 16 MeV reakcijā

2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.

E n = 4 MeV, izeja 10 6 neitroni sekundē.

5. Reakcija 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (ledus no smagā ūdens), i?n = 2,5 MeV.

6. Apstarošana ar tritija deuteroniem

2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.

Tā kā šī reakcija ir eksotermiska, gāzizlādes caurulēs deuteroni tiek paātrināti līdz enerģijai E d = 0,3 MeV. Veidojas monohromatiski neitroni ar Е n ~ 14 MeV.
Šis neitronu avots tiek izmantots ģeoloģijā.

7. Atdalīšanas reakcijās deuteronu iedarbībā ar E d ~ 200 MeV, n c
E n ~ 100 MeV.

11.5. Kodolreaktori, kodolķēdes reakcija

Visspēcīgākais neitronu avots ir kodolreaktori, ierīces, kurās tiek uzturēta kontrolēta skaldīšanas ķēdes reakcija.
Reaktorā notiek U kodolu skaldīšanās un veidojas neitroni ar Е n no 0 līdz 13 MeV, avota intensitāte ir 10 19 neitroni/s cm2. Dalīšanās process notiek neitronu ietekmē, kas brīvi iekļūst kodolos, jo nav Kulona potenciāla barjeras.
Kodola skaldīšanas laikā veidojas radioaktīvi fragmenti un izdalās 2-3 n, kas atkal reaģē ar U kodoliem; ir ķēdes process (89. att.).

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

Rīsi. 89: 235U kodola skaldīšanas ilustrācija.

Lai aprakstītu 235 U skaldīšanas procesu, tiek izmantots šķidruma piliena modelis, kurā darbojas Weizsäcker formula. Pēc tam, kad neitrons saskaras ar urāna kodolu, notiek konkurence starp jaunā kodola virsmas enerģiju un Kulona atgrūšanas enerģiju. Rezultātā Kulona spēku iedarbībā kodols tiek sadalīts divos vieglākos kodolos.
Enerģija Q, kas izdalās kodola skaldīšanas laikā (A, Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

aprēķināts, izmantojot Weizsäcker formulu

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

Q (MeV) \u003d -4,5A 2/3 + 0,26 Z 2 A -1/3, ε - īpatnējā saistīšanās enerģija: E St / A. Kodolam 235 U Q = 180 MeV.

Lai kodols sadalītos, tajā jāievada enerģija E > E a, kur E a 90: Potenciālā enerģija kodols atkarībā no attāluma līdz kodola centram (cietā līkne), E 0 ir pamatstāvoklis, E 0 + E a ir ierosinātais stāvoklis, E a ir aktivācijas enerģija
(90. att.).
Kodolu skaldīšanas spējas mērs ir protonu Kulona atgrūšanas enerģijas attiecība pret virsmas spraiguma enerģiju:

kur Z 2 /A ir skaldīšanas parametrs, jo lielāks tas ir, jo vieglāk sadalās kodols; Z 2 /A = 49 dalījuma parametra kritiskā vērtība.
Kodola skaldīšanas procesa ilustrācija ir parādīta attēlā. 91.
Kodolreaktorā kodola skaldīšanas process tiek atkārtots daudzas reizes, veidojoties daudzām dalīšanās paaudzēm. Pirmajā skaldīšanas gadījumā 235 U vidēji tiek ražoti 2,4 neitroni. Vienas paaudzes mūžs ir ~ 10 s. Ja ir K paaudžu dzimšana, tad ~ 2 K neitroni veidojas pēc ~ 2·10 -6 s. Ja K = 80, neitronu skaits būs 2 80 ~ 10 24 - tā rezultātā sadalīsies 10 24 atomi (140 g urāna). Šajā gadījumā izdalītā enerģija, 3·10 13 W, ir vienāda ar enerģiju, kas rodas, sadedzinot 1000 tonnas naftas.

Rīsi. 91: Kodola skaldīšanas process, kas notiek kodolreaktorā.

Sadalīšanās reakcijās enerģija tiek atbrīvota siltuma veidā. Siltuma noņemšanu no reaktora veic dzesēšanas šķidrums, kuram tiek izvirzītas īpašas prasības. Tam vajadzētu būt ar augstu siltumietilpību, vāji absorbēt neitronus un ar zemu ķīmisko aktivitāti. Mēs neapspriedīsim dizaina iezīmes kodolreaktora elementi. Mēs tikai atzīmējam, ka tad, kad termiskie neitroni sasniedz 235 U kodolu, veidojas ātri neitroni, un reakcija notiek tikai uz lēniem neitroniem. Tāpēc ir nepieciešams palēnināt ātros neitronus. Tas notiek moderatorā. Kā moderators tiek izmantots ogleklis vai smagais ūdens. Dalīšanās procesa apturēšana tiek īstenota ar kadmija kodolu palīdzību, kas uztver iegūtos neitronus. Tādējādi kodolreaktora dizains obligāti ietver neitronu moderatoru (oglekli) un kadmija stieņus, kas absorbē saražotos neitronus.
Reaktoros izmanto dabisko urānu 238U (99,3%) un bagātināto 235U (0,7%). 235 U tiek sadalīts termisko neitronu iedarbībā. 238 U izmanto ātro neitronu reaktoros.
Reaktorā notiekošos procesus raksturo šādas varbūtības:
ν ir radīto ātro neitronu skaits;
ε ir ātro neitronu reizināšanas koeficients;
P ir iespējamība, ka neitrons sasniegs siltumenerģiju;
ƒ ir neitronu uztveršanas iespējamība palēninājuma laikā;
σ t /σ tot ir skaldīšanas reakcijas iedarbināšanas varbūtība.

Šo varbūtību reizinājums nodrošina termisko neitronu reizināšanas koeficienta k aplēsi kodolreaktorā:

Ķēdes reakcija turpinās, ja k > 1; reizināšanas koeficientā iekļautajiem lielumiem ir šādas vērtības: ν = 2,47; ε = 1,02; P = 0,89; ƒ = 0,88; σt /σtot = 0,54.
Tādējādi k ∞ = 1,07 bezgalīgu izmēru reaktoram. Reālos apstākļos uz eff< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
Ātro neitronu reaktoros (239 Pu un 238 U) notiek šāds process:

Šīs reakcijas rezultātā tiek reproducēts 239 Pu. Iegūtais plutonijs reaģē ar neitronu: veidojas n + 239 Pu, ν = 2,41 neitroni.
239 Ri kodolu skaits dubultojas ik pēc 7-10 gadiem.
Atomu kodolu dalīšanās reakcija tiek izmantota atomu enerģijas ražošanai. Kodolreaktori darbojas daudzās atomelektrostacijās.

11.6. Saplūšanas reakcijas, vieglo kodolu sintēze

Vēl viens atomu enerģijas avots var būt vieglo atomu kodolu sintēze. Vieglie kodoli ir mazāk cieši saistīti, un, kad tie saplūst smagā kodolā, atbrīvojas vairāk enerģijas. Turklāt kodoltermiskās reakcijas ir tīrākas, jo trūkst pavadošo vielu radioaktīvās emisijas nekā dalīšanās ķēdes reakcijas.
Lai iegūtu kodoltermisko enerģiju, var izmantot šādas kodolsintēzes reakcijas:

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. Dž

Kodolu enerģijai, kas nonāk reakcijā, jābūt pietiekamai, lai pārvarētu Kulona potenciāla barjeru. Uz att. 92 parāda dažu reakciju šķērsgriezumu enerģijas atkarību. Kā redzams attēlā, vispiemērotākā ir deitērija d un tritija t kodolu sintēze. Šajā saplūšanas reakcijā Kulona potenciāla barjera ir zema un mijiedarbības šķērsgriezums ir liels pie zemām apvienojošo kodolu enerģijām. Lai reakcija noritētu, ir nepieciešama pietiekama šo kodolu koncentrācija tilpuma vienībā un pietiekama karsētās plazmas temperatūra.
Sapludināšanas notikumu skaitu R ab laika vienībā tilpuma vienībā nosaka sakarība

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

kur n a , n b ir kodolu skaits a, b; σ ab ir reakcijas efektīvais šķērsgriezums, v ab ir daļiņu relatīvais ātrums plazmā, Т ir temperatūra. Reakcijas rezultātā tiek atbrīvota enerģija

W = Rab Qab τ,

kur R ab ir saplūšanas notikumu skaits, Q ab ir enerģija, kas izdalās vienā notikumā, τ ir laiks.
Ļaujiet n a \u003d n b \u003d 10 15 kodoli / cm 3, T \u003d 100 keV. Tad W ~ 10 3 W/cm 3 s.
Pašpietiekamās kodoltermiskās reakcijās ir jāatbrīvo vairāk enerģijas, nekā tiek iztērēts plazmas sildīšanai un ierobežošanai. Maksa par n a = n b = 2n daļiņu sildīšanu līdz temperatūrai T: 3n·kT: k - Bolcmaņa konstante. Tādējādi ir jāizpilda šāds nosacījums:

n 2 w ab Q ab τ > 3nkT

(atbrīvotā enerģija > apkures enerģija).
Lawson formulēja šādu nosacījumu d + t saplūšanas reakcijai:

nτ > 10 14 s cm -3 ,

kur nτ ir saglabāšanas parametrs. Uz att. 93 parāda šī parametra atkarību no temperatūras. Reakcija notiek, ja nτ > ƒ(T). Temperatūra T ~ 2·10 8 K atbilst 10 keV enerģijai. Aiztures parametra nτ = 10 14 s/cm 3 minimālā vērtība reakcijai d + t tiek sasniegta 2 10 8 K temperatūrā.

Rīsi. 93: Turēšanas parametru atkarība no temperatūras. Iekrāsotais laukums ƒ(Т) ir kontrolētas kodolsintēzes zona reakcijai d + t. - Parametru vērtības, kas sasniegtas dažādās iekārtās līdz 1980. gadam.

Citām reakcijām:

Plazmas norobežojums, kam ir nepieciešamos nosacījumus lai reakcija noritētu, tiek īstenota Tokamaka tipa instalācijās, izmantojot magnētisko lauku. Šādas iekārtas darbojas Krievijā un vairākās citās valstīs. Kā redzams no att. 93, kontrolētās kodolsintēzes režīms vēl nav sasniegts.
Ar lāzeriekārtām tiek mēģināts iegūt termokodolsintēzei nepieciešamos apstākļus. Šajā gadījumā ar lāzera starojumu no visām pusēm tiek saspiests neliels tilpums, kas satur deitērija un tritija kodolus. Šajā gadījumā deitērija un tritija kodoli tiek uzkarsēti līdz vajadzīgajai temperatūrai. Lāzera saplūšana prasa ieviest koeficientu 100, jo lāzera sūknēšanai tiek patērēts daudz bezjēdzīgas enerģijas.
Mēģinājumi veikt kontrolētu kodolsintēzi laboratorijas apstākļos saskaras ar vairākām grūtībām.

1. 1. Līdz šim nebija iespējams iegūt stabilu augstas temperatūras plazmas režīmu.
2. 2. Enerģijas zudumi plazmā ir lieli pat zemas koncentrācijas atomu piemaisījumu dēļ ar lielu Z.
3. 3. Tokamakā "pirmās sienas problēma", kas ierobežo reaktora plazmu, nav atrisināta (neitronu plūsma to iznīcina).
4. 4. Dabā nav radioaktīvā tritija t ar pussabrukšanas periodu T 1/2 = 12,5 gadi, tāpēc reakcijā pastāv tritija vairošanās problēma.

n + 7 Li = α + t + n.

Līdz šim nav bijis iespējams pārvarēt šīs grūtības un iegūt kontrolētu kodolsintēzes reakciju.
AT vivo kodolsintēzes reakcijas notiek uz saules un zvaigznēm.

Literatūra

1. 1. Širokovs Ju.M., Judins N.P. Kodolfizika. -M.: Nauka, 1972. gads.
2. 2. Kapitonovs I.M. Ievads kodolfizikā un daļiņu fizikā. -M.: UPPS, 2002. gads.

USE kodifikatora tēmas: kodolreakcijas, kodolu dalīšanās un saplūšana.

Iepriekšējā lapā mēs vairākkārt runājām par atoma kodola sadalīšanu tā sastāvdaļās. Bet kā to var panākt realitātē? Kā rezultātā fiziski procesi vai tu vari salauzt kodolu?

Radioaktīvās sabrukšanas novērojumi mainīgos vides apstākļos, proti, dažādos spiedienos un temperatūrās, elektriskās un magnētiskie lauki- parādīja, ka radioaktīvās sabrukšanas ātrums nav atkarīgs no šiem apstākļiem. Visi šie faktori nespēj izraisīt ķīmisko elementu pārveidošanu savā starpā. Acīmredzot enerģijas izmaiņas šeit ir pārāk mazas, lai ietekmētu atoma kodolu - tāpēc vējš, kas pūš pāri ķieģeļu mājai, nespēj to iznīcināt.

Bet jūs varat iznīcināt māju artilērijas lādiņš. Un Rutherford 1919. gadā nolēma izmantot visspēcīgākos "čaulas", kas tolaik bija pieejamas. Tās bija -daļiņas, kas emitētas ar aptuveni 5 MeV enerģiju plkst radioaktīvā sabrukšana urāns. (Kā jūs atceraties, tie ir tie paši šāviņi, ar kuriem viņš pirms astoņiem gadiem bombardēja zelta folijas loksni savos slavenajos eksperimentos, kas radīja atoma planētu modeli.)

Tiesa, zelta pārtapšana citos ķīmiskie elementišajos eksperimentos netika novēroti. Pati zelta kodols ir ļoti spēcīgs, turklāt tajā ir diezgan daudz protonu; tie rada spēcīgu Kulona lauku, kas atgrūž -daļiņu un neļauj tai pārāk pietuvoties kodolam. Bet, lai salauztu kodolu, šāviņam jāpiekļūst tuvu kodolam, lai ieslēgtos kodolspēki! Nu laiks liels skaits novērš protonus - varbūt paņem vieglāku kodolu, kur ir maz protonu?

Rezerfords bombardēja slāpekļa kodolus un rezultātā veica pirmo fizikas vēsturē kodolreakcija:

(1)

(1) labajā pusē mēs redzam reakcijas produkti ir skābekļa izotops un protons.

Kļuva skaidrs, ka kodolreakciju pētīšanai ir nepieciešamas šāviņu daļiņas augsta enerģija. Šī iespēja ir dota paātrinātāji elementārdaļiņas. Paātrinātājiem ir divas lielas priekšrocības salīdzinājumā ar dabiskajiem "radioaktīvajiem lielgabaliem".

1. Paātrinātāji var paātrināt jebkuras uzlādētas daļiņas. Īpaši tas attiecas uz protoniem, kas neparādās kodolu dabiskās sabrukšanas laikā. Protoni ir labi, jo tiem ir minimāls lādiņš, kas nozīmē, ka tie piedzīvo mazāko Kulona atgrūšanos no mērķa kodoliem.

2. Paātrinātāji ļauj sasniegt enerģijas, kas ir vairākas kārtas lielākas par α-daļiņu enerģiju radioaktīvās sabrukšanas laikā. Piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā protoni tiek paātrināti līdz vairāku TeV enerģijām; tas ir miljons reižu vairāk nekā 5 MeV -daļiņām reakcijā (1), ko veica Rezerfords.

Tātad ar protonu palīdzību, kas izgāja caur paātrinātāju, 1932. gadā bija iespējams salauzt litija kodolu (iegūstot divas daļiņas):

(2)

Kodolreakcijas ļāva mākslīgi pārveidot ķīmiskos elementus.

Turklāt reakcijas produktos sāka atklāt jaunas, iepriekš nezināmas daļiņas. Piemēram, kad berilija tika apstarota ar daļiņām tajā pašā 1932. gadā, tika atklāts neitrons:

(3)

Neitroni ir ļoti piemēroti kodolu sadalīšanai: tiem nav elektriskā lādiņa, tie brīvi iekļūst kodolā. (Tajā pašā laikā nav nepieciešams neitronus paātrināt - lēnie neitroni vieglāk iekļūst kodolos. Izrādās, ka neitroni pat ir jāpalēnina, un tas tiek darīts, izlaižot neitronus caur parastu ūdeni.) Tātad, kad slāpeklis ir Apstarojot ar neitroniem, notiek šāda reakcija:

(4)

Kodolreakcijas enerģijas ieguve

Apspriežot saistīšanas enerģiju, mēs redzējām, ka kodolprocesu rezultātā daļiņu sistēmas masa nepaliek nemainīga. Tas savukārt noved pie tā, ka kodolreakcijas produktu kinētiskā enerģija atšķiras no sākotnējo daļiņu kinētiskās enerģijas.

Pirmkārt, mēs atgādinām, ka masas daļiņas kopējā enerģija ir tās miera enerģijas un kinētiskās enerģijas summa:

Ļaujiet kodolreakcijai notikt daļiņu sadursmes rezultātā, kuru produkti ir daļiņas un:

(5)

Daļiņu sistēmas kopējā enerģija tiek saglabāta:

(6)

Sākotnējo daļiņu kinētiskā enerģija ir . Reakcijas produktu kinētiskā enerģija ir . enerģijas izlaide kodolreakcija ir atšķirība starp reakcijas produktu un sākotnējo daļiņu kinētiskajām enerģijām:

No (6) mēs viegli iegūstam:

(7)

If class="tex" alt="(!LANG:Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт !} ar enerģijas atbrīvošanu vairāk sākotnējo daļiņu kinētiskā enerģija. No (7) redzam, ka šajā gadījumā reakcijas produktu kopējā masa mazāk

Ja , tad reakcija ir ar enerģijas absorbciju: reakcijas produktu kinētiskā enerģija mazāk sākotnējo daļiņu kinētiskā enerģija. Šajā gadījumā kopējā reakcijas produktu masa vairāk sākotnējo daļiņu kopējā masa.

Tādējādi termini "enerģijas izdalīšana" un "uzsūkšana" nedrīkst radīt neskaidrības: tie attiecas tikai uz kinētiskā daļiņu enerģija. Daļiņu sistēmas kopējā enerģija, protams, paliek nemainīga jebkurā reakcijā.

1. Izmantojot neitrālu atomu masu tabulu, mēs atrodam un izsakām a. e.m. (lai atrastu kodola masu, neaizmirstiet no neitrāla atoma masas atņemt elektronu masu).

2. Aprēķinām sākotnējo daļiņu masu, reakcijas produktu masu un atrodam masu starpību .

3. Reiziniet ar un iegūstiet vērtību, kas izteikta MeV.

Tagad mēs detalizēti apsvērsim enerģijas ieguves aprēķinu, izmantojot divus litija kodolu bombardēšanas piemērus: vispirms - ar protoniem, pēc tam - ar daļiņām.

Pirmajā gadījumā mums ir jau iepriekš minētā reakcija (2):

Litija atoma masa ir a. e.m. Elektrona masa ir a. e.m. Atņemot no atoma masas tā trīs elektronu masu, iegūstam litija kodola masa :

A. e. m.

Protona masa ir a. e.m., lai sākotnējo daļiņu masa:

A. e. m.

Pāriesim pie reakcijas produktiem. Hēlija atoma masa ir a. e.m. Atņemiet elektronu masu un atrodiet hēlija kodola masa :

A. e. m.

Reizinot ar , iegūstam reakcijas produktu masu:

A. e. m.

Masa, kā redzam, ir samazinājusies; tas nozīmē, ka mūsu reakcija turpinās, atbrīvojoties enerģijai. Masu atšķirība:

A. e. m.

Atbrīvotā enerģija:

MeV.

Tagad apskatīsim otro piemēru. Kad litija kodoli tiek bombardēti ar -daļiņām, notiek šāda reakcija:

(8)

Sākotnējo kodolu masas mums jau ir zināmas; atliek aprēķināt to kopējo masu:

A. e. m.

No tabulas ņemam bora atoma masu (tā ir vienāda ar a. e. m.); atņemiet piecu elektronu masu un iegūstiet bora atoma kodola masu:

A. e. m.

Neitrona masa ir a. e.m. Atrodiet reakcijas produktu masu:

A. e. m.

Šoreiz svars ir pieaudzis. class="tex" alt="(!LANG:(m_2 > m_1)"> !}, tas ir, reakcija notiek ar enerģijas absorbciju.

Masu atšķirība ir:

A. e. m.

Reakcijas enerģijas ieguve:

MeV.

Tādējādi MeV enerģija tiek absorbēta reakcijā (8). Tas nozīmē, ka reakcijas produktu (bora un neitronu kodolu) kopējā kinētiskā enerģija ir par MeV mazāka nekā sākotnējo daļiņu (litija kodolu un -daļiņu) kopējā kinētiskā enerģija. Tāpēc, lai šī reakcija principā notiktu, sākotnējo daļiņu enerģijai jābūt vismaz MeV.

Kodola skaldīšana

Bombardējot urāna kodolus ar lēniem neitroniem, vācu fiziķi Hāns un Štrasmans atklāja elementu parādīšanos vidusdaļā. periodiska sistēma: bārijs, kriptons, stroncijs, rubīdijs, cēzijs uc Tātad tas tika atklāts kodola skaldīšana urāns.

Uz att. 1 mēs redzam kodola skaldīšanas procesu (attēls no oup.co.uk.). Uztverot neitronu, urāna kodols sadalās divās daļās fragments, un tiek atbrīvoti divi vai trīs neitroni.

Rīsi. 1. Urāna kodola skaldīšana

Fragmenti ir elementu radioaktīvo izotopu kodoli periodiskās tabulas vidū. Parasti viens no fragmentiem ir lielāks par otru. Piemēram, urāna bombardēšanas laikā var rasties šādas fragmentu kombinācijas (kā saka, reakcija notiek saskaņā ar sekojošo kanāliem).

Bārijs un kriptons:

Cēzijs un rubīdijs:

Ksenons un stroncijs:

Katrā no šīm reakcijām tiek atbrīvota ļoti liela enerģija - MeV kārtībā. Salīdziniet šo vērtību ar iepriekš atrasto (2) reakcijas enerģijas iznākumu, kas vienāds ar MeV! No kurienes rodas šāds enerģijas daudzums?

Sāksim ar to, ka urāna kodolā iepakoto protonu (gabalu) lielā skaita dēļ Kulona atgrūšanas spēki, kas paplašina kodolu, ir ļoti lieli. Kodolspēki, protams, joprojām spēj noturēt kodolu no sairšanas, taču spēcīgais Kulona faktors ir gatavs izteikt savu viedokli jebkurā brīdī. Un tāds brīdis pienāk, kad neitrons iestrēgst kodolā (2. att. - attēls no vietnes investingreenenergy.com).

Rīsi. 2. Serdes deformācija, vibrācijas un plīsums

Ieslodzītais neitrons izraisa kodola deformāciju. Sāksies kodola formas svārstības, kas var kļūt tik intensīvas, ka kodols izstiepsies par “hanteli”. Tuva darbības rādiusa kodolspēki, kas satur kopā nelielu skaitu blakus esošu šauruma nukleonu, nevar tikt galā ar hanteles pušu elektriskajiem atgrūšanas spēkiem, un rezultātā kodols pārplīsīs.

Fragmenti izkliedēsies ar lielu ātrumu - apmēram gaismas ātrumu. Viņi atņem lielākā daļa atbrīvotā enerģija (apmēram MeV no ).

Smago kodolu skaldīšanu var interpretēt no mums jau zināmā kodola īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarības no tā masas skaitļa grafika viedokļa (3. att.).

Rīsi. 3. Smago kodolu skaldīšana ir enerģētiski labvēlīga

Krāsa izceļ reģionu, kurā sasniedz specifiskā saistīšanas enerģija vislielākā vērtība MeV/nukleons. Šis ir visstabilāko kodolu reģions. Pa labi no šī reģiona īpatnējā saistīšanās enerģija pakāpeniski samazinās līdz MeV / nukleonam urāna kodolā.

Mazāk stabilu kodolu pārtapšanas process stabilākos ir enerģētiski labvēlīgs un to pavada enerģijas izdalīšanās. Urāna kodola skaldīšanas laikā, kā redzam, īpatnējā saistīšanās enerģija palielinās par aptuveni MeV/nukleonu; šī enerģija tiek tikai atbrīvota skaldīšanas procesā. Reizinot to ar nukleonu skaitu urāna kodolā, mēs iegūstam aptuveni tādu pašu enerģijas izvades MeV, kas tika minēts iepriekš.

Kodolķēdes reakcija

Divu vai trīs neitronu parādīšanās urāna kodola skaldīšanas procesā - vissvarīgākais fakts. Šie "pirmās paaudzes" neitroni var trāpīt jauniem kodoliem un izraisīt to skaldīšanu; jaunu kodolu dalīšanās rezultātā parādīsies "otrās paaudzes" neitroni, kas iekritīs sekojošos kodolos un izraisīs to skaldīšanu; radīsies "trešās paaudzes" neitroni, kas novedīs pie nākamo kodolu skaldīšanas utt. kodola ķēdes reakcija, kuras laikā tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums.

Lai kodolreakcija noritētu, ir nepieciešams, lai nākamajā paaudzē nebūtu atbrīvoto neitronu skaita mazāks par skaitli iepriekšējās paaudzes neitroni. Vērtība

sauca neitronu reizināšanas koeficients. Tādējādi ķēdes reakcija notiek saskaņā ar nosacījumu class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.!}

Ja ir class="tex" alt="(!LANG:k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится !} nevadāms. Tā uzsprāgst atombumba.

Kas notiek kodolreaktoros pārvaldīta dalīšanās ķēdes reakcija ar reizināšanas koeficientu . Kontrolētas ķēdes reakcijas vienmērīgu plūsmu nodrošina reaktora aktīvās zonas (tas ir, zonā, kur notiek reakcija) ievietošana speciālos regulēšanas stieņos, kas absorbē neitronus. Kad stieņi ir pilnībā ievietoti, to neitronu absorbcija ir tik liela, ka reakcija nenotiek. Reaktora palaišanas laikā stieņi tiek pakāpeniski izņemti no aktīvās zonas, līdz atbrīvotā jauda sasniedz nepieciešamo līmeni. Šis līmenis tiek rūpīgi kontrolēts, un, kad tas tiek pārsniegts, tiek ieslēgtas ierīces, kas ievada vadības stieņus atpakaļ kodolā.

kodoltermiskā reakcija

Līdz ar smago kodolu dalīšanās reakciju zināmā nozīmē enerģētiski iespējams izrādās reversais process - vieglo kodolu sintēze, tas ir, gaismas elementu kodolu saplūšana (atrodas sākumā periodiskā tabula), lai izveidotu smagāku kodolu.

Lai sāktos kodolu saplūšana, tie ir jāsatuvina kopā – lai stātos kodolspēki. Šādai pieejai ir jāpārvar kodolu Kulona atgrūšanās, kas strauji palielinās, samazinoties attālumam starp tiem. Tas ir iespējams tikai tad, ja kodolu kinētiskā enerģija ir ļoti augsta, kas nozīmē, ka ļoti augstā temperatūrā (desmitiem un simtiem miljonu grādu). Tāpēc kodolsintēzes reakciju sauc kodoltermiskā reakcija.

Kā kodoltermiskās reakcijas piemēru mēs sniedzam deitērija un tritija kodolu saplūšanas reakciju (smagie un supersmagie ūdeņraža izotopi), kā rezultātā veidojas hēlija kodols un neitrons:

(9)

Šī reakcija notiek, atbrīvojot enerģiju, kas vienāda ar MeV (mēģiniet pats veikt aprēķinus un iegūt šo vērtību). Tas ir daudz, ņemot vērā, ka reakcijā piedalās tikai nukleoni! Patiešām, uz vienu nukleonu reakcija (9) atbrīvo enerģiju aptuveni MeV, savukārt urāna kodola skaldīšana atbrīvo “tikai” MeV uz vienu nukleonu.

Tādējādi kodoltermiskās reakcijas kalpo kā pat vairāk enerģijas avots nekā kodola skaldīšanas reakcijas. No fiziskā viedokļa tas ir saprotams: kodola skaldīšanas reakcijas enerģija būtībā ir paātrināto fragmentu kinētiskā enerģija. elektrisks atgrūšanas spēki, un kodolsintēzes gadījumā enerģija tiek atbrīvota nukleonu paātrinājuma rezultātā vienam pret otru, iedarbojoties daudz jaudīgākiem kodolenerģijas pievilkšanās spēki.

Vienkārši sakot, kodolu dalīšanās laikā tiek atbrīvota elektriskās mijiedarbības enerģija, bet kodolu sintēzes laikā - spēcīgās (kodola) mijiedarbības enerģija.

Zvaigžņu iekšpusē tiek sasniegta temperatūra, kas ir piemērota kodolu saplūšanai. Saules un tālo zvaigžņu gaisma nes enerģiju, kas izdalās termokodolreakcijās - ūdeņraža kodolu saplūšanas laikā hēlija kodolos un sekojošajā hēlija kodolu saplūšanā smagāku elementu kodolos, kas atrodas periodiskās sistēmas vidusdaļā. Kodolsintēzes virziens ir parādīts attēlā. četri; vieglo kodolu sintēze ir enerģētiski labvēlīga, jo tā ir vērsta uz kodola īpatnējās saistīšanas enerģijas palielināšanu.

Rīsi. 4. Vieglo kodolu sintēze ir enerģētiski labvēlīga

Sprādziena laikā notiek nekontrolēta kodoltermiskā reakcija ūdeņraža bumba. Vispirms uzsprāgst iebūvētais atombumba- nepieciešams, lai izveidotu paaugstināta temperatūra kodoltermiskā sprādziena pirmajā posmā. Kad bumbas termokodoldegvielā tiek sasniegta vajadzīgā temperatūra, sākas kodolsintēzes reakcijas, un notiek pašas ūdeņraža bumbas eksplozija.

Kontrolētas kodoltermiskās reakcijas īstenošana joprojām ir neatrisināta problēma, pie kuras fiziķi ir strādājuši vairāk nekā pusgadsimtu. Ja izdosies panākt kontrolētu kodolsintēzes plūsmu, tad cilvēces rīcībā būs praktiski neierobežots enerģijas avots. Tas ir ārkārtīgi svarīgs uzdevums pašreizējām un nākamajām paaudzēm, ņemot vērā mūsu planētas naftas un gāzes resursu izsīkšanas draudus.