Tindak balas nuklear pertama. Tindak balas nuklear: mudah dan jelas

Tindak balas nuklear ialah proses interaksi kuat nukleus atom dengan zarah asas atau dengan nukleus lain, yang membawa kepada transformasi nukleus. Jenis tindak balas nuklear yang paling biasa ialah tindak balas jenis, di mana
- zarah cahaya - neutron, proton, -zarah, -kuantum.

Tindak balas yang disebabkan oleh zarah yang tidak terlalu cepat berlaku dalam dua peringkat. Pada peringkat pertama, zarah yang mendekati nukleus ditangkap olehnya, membentuk nukleus perantaraan - nukleus majmuk. Tenaga yang diperkenalkan oleh zarah diagihkan semula antara nukleon, dan nukleus mendapati dirinya dalam keadaan teruja. Pada peringkat kedua, nukleus mengeluarkan zarah . .

Jika
, maka ini bukan tindak balas nuklear, tetapi proses pelesapan. Jika
- penyerakan elastik, jika
- taburan tak anjal.

Tindak balas yang disebabkan oleh nukleon pantas berlaku tanpa pembentukan nukleus perantaraan - ini adalah interaksi nuklear langsung.

Reaksi dibahagikan:

mengikut jenis zarah yang terlibat dalam tindak balas nuklear.

Mengikut tenaga zarah yang terlibat (sejuk, panas)

Mengikut jenis nukleus yang terlibat dalam tindak balas (ringan, sederhana, berat)

Dengan sifat produk yang diperoleh hasil daripada tindak balas (zarah asas, proton, neutron)

Tindak balas pembelahan nuklear. Pada tahun 1938, Hahn dan Strassmann mendapati bahawa penyinaran uranium dengan neutron menghasilkan unsur-unsur dari tengah jadual berkala. Tindak balas dicirikan oleh pembebasan sejumlah besar tenaga. Selepas itu, didapati bahawa nukleus yang telah menangkap neutron boleh pembelahan dengan cara yang berbeza. Hasil pembelahan dipanggil serpihan. Yang paling berkemungkinan ialah pembahagian kepada serpihan, yang jisimnya adalah dalam nisbah:

Cerium adalah stabil

Zirkonium adalah stabil.

Nukleus uranium adalah fisil hanya oleh neutron pantas. Pada tenaga yang lebih rendah, neutron diserap dan nukleus masuk ke dalam keadaan teruja - ini adalah tangkapan sinaran.

Neutron, yang terbentuk akibat pembelahan uranium, boleh menyebabkan tindak balas lain, dsb. - Ini adalah tindak balas berantai nuklear. Faktor pendaraban neutron ialah nisbah bilangan neutron dalam generasi tertentu kepada bilangan neutron dalam generasi sebelumnya. Tindak balas berantai berlaku apabila
.

Disebabkan oleh saiz terhingga jasad fisil dan kuasa penembusan yang tinggi, banyak neutron meninggalkan zon tindak balas sebelum ditangkap oleh nukleus. Jika jisim uranium fisil kurang daripada jisim kritikal tertentu, maka kebanyakan neutron terbang keluar dan tindak balas berantai tidak berlaku. Jika jisim lebih besar daripada jisim kritikal, neutron membiak dengan cepat, dan tindak balas mempunyai sifat letupan (tindakan bom atom berdasarkan ini). Dalam reaktor, jisim kritikal diselaraskan dengan menyerap lebihan neutron dengan rod kadmium dan karbon.

Percantuman nukleus ringan kepada yang lebih berat adalah tindak balas pelakuran. Jika tindak balas berlaku pada suhu tinggi, ia adalah tindak balas termonuklear. Tindak balas termonuklear nampaknya merupakan salah satu sumber tenaga Matahari dan bintang.

Jenis interaksi zarah asas.

Perkembangan fizik zarah asas dikaitkan dengan kajian sinar kosmik. Terdapat 2 jenis sinaran kosmik: primer, datang dari angkasa dan terdiri terutamanya daripada proton bertenaga tinggi, dan sekunder, yang terbentuk hasil daripada interaksi sinar kosmik primer dengan nukleus atom di atmosfera bumi. Dalam sinaran sekunder, komponen keras dan lembut dibezakan.

Terdapat 4 jenis interaksi:

Interaksi kuat adalah 100 kali lebih besar daripada interaksi elektromagnet, dan 10 14 kali lebih besar daripada interaksi lemah. Jejari tindakan yang kuat ialah 10 -15 m, yang lemah ialah 10 -19 m.

Definisi 1

Tindak balas nuklear dalam erti kata yang luas, proses yang berlaku hasil daripada interaksi beberapa nukleus atom kompleks atau zarah asas. Tindak balas nuklear juga dipanggil tindak balas di mana sekurang-kurangnya satu nukleus terdapat di antara zarah awal, ia bergabung dengan nukleus lain atau zarah asas, akibatnya tindak balas nuklear berlaku dan zarah baru dicipta.

Sebagai peraturan, tindak balas nuklear berlaku di bawah tindakan kuasa nuklear. Walau bagaimanapun, tindak balas nuklear pereputan nuklear di bawah pengaruh $\gamma $ - quanta tenaga tinggi atau elektron pantas berlaku di bawah pengaruh elektromagnet, bukan kuasa nuklear, atas sebab daya nuklear tidak bertindak ke atas foton dan elektron. Tindak balas nuklear termasuk proses yang berlaku apabila neutrino berlanggar dengan zarah lain, tetapi ia berlaku dengan interaksi yang lemah.

Tindak balas nuklear boleh berlaku dalam keadaan semula jadi (di kedalaman bintang, dalam sinar kosmik). Kajian tindak balas nuklear berlaku di makmal menggunakan kemudahan eksperimen di mana tenaga dipindahkan ke zarah bercas menggunakan pemecut. Dalam kes ini, zarah yang lebih berat berada dalam keadaan rehat dan dipanggil zarah sasaran. Mereka diserang oleh zarah yang lebih ringan, yang merupakan sebahagian daripada rasuk dipercepat. Dalam pemecut rasuk berlanggar, membahagikan kepada sasaran dan rasuk tidak masuk akal.

Tenaga zarah rasuk bercas positif mestilah mengikut susunan atau lebih besar daripada halangan keupayaan Coulomb nukleus. Pada tahun 1932, J. Cockroft dan E. Walton adalah yang pertama membelah nukleus litium secara buatan dengan mengebom mereka dengan proton yang tenaganya kurang daripada ketinggian penghalang Coulomb. Penembusan proton ke dalam nukleus litium berlaku melalui peralihan terowong melalui halangan potensi Coulomb. Untuk zarah bercas negatif dan neutral, halangan potensi Coulomb tidak wujud dan tindak balas nuklear boleh berlaku walaupun pada tenaga haba zarah kejadian.

Notasi tindak balas nuklear yang paling biasa dan visual diambil daripada kimia. Di sebelah kiri ialah jumlah zarah sebelum tindak balas, dan di sebelah kanan ialah jumlah hasil tindak balas akhir:

menerangkan tindak balas nuklear yang berlaku akibat pengeboman isotop litium $()^7_3(Li)$ oleh proton, mengakibatkan penghasilan neutron dan isotop berilium $()^7_4(Be)$.

Tindak balas nuklear selalunya ditulis dalam bentuk simbolik: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, dengan $A$ ialah nukleus sasaran, $a$ ialah zarah pengeboman, $bcd\dots dan\ B$ - - masing-masing, zarah dan nukleus yang terbentuk hasil daripada tindak balas. Tindak balas di atas boleh ditulis semula sebagai $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Kadangkala notasinya menjadi $(p,n)$, yang bermaksud tersingkirnya neutron daripada nukleus tertentu di bawah pengaruh proton.

Penerangan kuantitatif tindak balas

Penerangan kuantitatif tindak balas nuklear dari sudut pandangan mekanik kuantum hanya mungkin secara statistik, i.e. kita boleh bercakap tentang kebarangkalian tertentu pelbagai proses yang mencirikan tindak balas nuklear. Oleh itu, tindak balas $a+A\kepada b+B$, dalam keadaan awal dan akhir yang mana terdapat dua zarah setiap satu, dalam pemahaman ini dicirikan sepenuhnya oleh keratan rentas serakan berkesan pembezaan $d\sigma /d\Omega $ di dalam badan dipotong $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, dengan $\theta $ dan $\varphi $ ialah sudut berlepas kutub dan azimut bagi satu zarah, manakala sudut $\theta $ dikira dari permulaan pergerakan zarah pengeboman. Kebergantungan keratan rentas pembezaan pada sudut $\theta $ dan $\varphi $ dipanggil taburan sudut zarah yang membentuk tindak balas. Keratan rentas jumlah atau kamiran, yang mencirikan keamatan tindak balas, ialah keratan rentas berkesan pembezaan yang disepadukan ke atas semua nilai sudut $\theta $ dan $\varphi $:

Keratan rentas berkesan boleh ditafsirkan sebagai kawasan di mana zarah kejadian akan menyebabkan tindak balas nuklear tertentu. Keratan rentas berkesan tindak balas nuklear diukur dalam bangsal $1\ b=(10)^(-28)\ m^2$.

Tindak balas nuklear dicirikan oleh hasil tindak balas. Hasil tindak balas nuklear $W$ ialah pecahan zarah rasuk yang menerima interaksi nuklear dengan zarah sasaran. Jika $S$ ialah luas keratan rentas rasuk, $I$ ialah ketumpatan fluks rasuk, maka zarah $N=IS$ jatuh pada kawasan sasaran yang sama setiap saat. Secara purata, zarah $\segitiga N=IS\sigma n$ bertindak balas daripadanya sesaat, di mana $\sigma $ ialah keratan rentas berkesan untuk tindak balas zarah rasuk, $n$ ialah kepekatan nukleus pada sasaran. Kemudian:

Pelbagai klasifikasi tindak balas nuklear

Tindak balas nuklear boleh dikelaskan mengikut ciri-ciri berikut:

sifat zarah yang mengambil bahagian dalam tindak balas;
bilangan jisim nukleus yang mengambil bahagian dalam tindak balas;
di sebalik kesan tenaga (terma);
mengenai sifat transformasi nuklear.

Berdasarkan nilai tenaga $E$ zarah yang menyebabkan tindak balas, tindak balas berikut dibezakan:

pada tenaga rendah ($E\le 1\keV$);
pada tenaga rendah ($1\ keV\le E\le 1\ MeV$);
pada tenaga sederhana ($1\ MeV\le E\le 100\ MeV$);
pada tenaga yang ketara ($100\ MeV\le E\le 1\ GeV)$;
pada tenaga tinggi ($1\ GeV\le E\le 500\ GeV$);
pada tenaga ultra tinggi ($E>500\GeV$).

Bergantung kepada tenaga zarah $a$, transformasi yang berbeza dalam tindak balas nuklear berlaku untuk nukleus yang sama $A$. Sebagai contoh, pertimbangkan tindak balas mengebom isotop fluorin dengan neutron yang berlainan tenaga:

Rajah 1.

Bergantung pada sifat zarah yang mengambil bahagian dalam tindak balas nuklear, ia dibahagikan kepada jenis berikut:

di bawah pengaruh neutron;
di bawah pengaruh foton;
di bawah pengaruh zarah bercas.

Berdasarkan bilangan jisim nukleus, tindak balas nuklear dibahagikan kepada jenis berikut:

pada nukleus ringan ($A
pada teras sederhana ($50
pada teras besar ($A >100$).

Berdasarkan sifat transformasi yang berlaku dalam nukleus, tindak balas dibahagikan kepada:

penangkapan sinaran;
Pengujaan Coulomb;
pembelahan nuklear;
tindak balas letupan;
kesan fotoelektrik nuklear.

Apabila mempertimbangkan tindak balas nuklear, undang-undang berikut digunakan:

undang-undang pemuliharaan tenaga;
undang-undang pemuliharaan momentum;
undang-undang pemuliharaan cas elektrik;
undang-undang pemuliharaan caj baryon;
undang-undang pemuliharaan cas lepton.

Nota 1

Undang-undang pemuliharaan memungkinkan untuk meramalkan tindak balas yang mungkin secara mental boleh direalisasikan dan yang tidak boleh disebabkan oleh kegagalan satu atau lebih undang-undang pemuliharaan. Dalam hubungan ini, undang-undang pemuliharaan memainkan peranan yang sangat penting untuk tindak balas nuklear.

Tindak balas nuklear dicirikan oleh tenaga tindak balas nuklear $Q$. Jika tindak balas diteruskan dengan pembebasan tenaga $Q >0$, maka tindak balas itu dipanggil eksotermik; jika tindak balas berlaku dengan penyerapan haba $Q

Peralihan isomer

Lihat juga: Portal:Fizik

Tindak balas nuklear- proses pembentukan nukleus atau zarah baru semasa perlanggaran nukleus atau zarah. Tindak balas nuklear pertama kali diperhatikan oleh Rutherford pada tahun 1919, mengebom nukleus atom nitrogen dengan zarah α ia dikesan oleh kemunculan zarah pengion sekunder dengan julat dalam gas yang lebih besar daripada julat zarah α dan dikenal pasti sebagai proton. Selepas itu, gambar-gambar proses ini diperoleh menggunakan ruang awan.

Mengikut mekanisme interaksi, tindak balas nuklear dibahagikan kepada dua jenis:

tindak balas dengan pembentukan nukleus sebatian ialah proses dua peringkat yang berlaku pada tenaga kinetik zarah berlanggar yang tidak terlalu tinggi (sehingga kira-kira 10 MeV).
tindak balas nuklear langsung yang berlaku di masa nuklear diperlukan untuk zarah melintasi nukleus. Mekanisme ini terutamanya menunjukkan dirinya pada tenaga tinggi zarah pengeboman.

Jika selepas perlanggaran, nukleus dan zarah asal dikekalkan dan tiada yang baru dilahirkan, maka tindak balas adalah penyerakan elastik dalam medan daya nuklear, hanya disertai dengan pengagihan semula tenaga kinetik dan momentum zarah dan nukleus sasaran dan dipanggil potensi penyebaran .

Mekanisme tindak balas nuklear

Nukleus sebatian

Teori mekanisme tindak balas dengan pembentukan nukleus majmuk telah dibangunkan oleh Niels Bohr pada tahun 1936, bersama-sama dengan teori model titisan nukleus, dan mendasari idea moden tentang kebanyakan tindak balas nuklear.

Menurut teori ini, tindak balas nuklear berlaku dalam dua peringkat. Pada permulaannya, zarah awal membentuk nukleus perantaraan (komposit) selepas masa nuklear, iaitu masa yang diperlukan untuk zarah melintasi nukleus, lebih kurang sama dengan 10 −23 - 10 −21. Dalam kes ini, nukleus sebatian sentiasa terbentuk dalam keadaan teruja, kerana ia mempunyai tenaga berlebihan yang dibawa oleh zarah ke dalam nukleus dalam bentuk tenaga pengikat nukleon dalam nukleus sebatian dan sebahagian daripada tenaga kinetiknya, iaitu sama dengan jumlah tenaga kinetik nukleus sasaran dengan nombor jisim dan zarah dalam pusat inersia sistem.

Tenaga pengujaan

Tenaga pengujaan nukleus majmuk yang terbentuk apabila penyerapan nukleon bebas adalah sama dengan jumlah tenaga ikatan nukleon dan sebahagian daripada tenaga kinetiknya:

Selalunya, disebabkan oleh perbezaan besar dalam jisim nukleus dan nukleon, ia adalah lebih kurang sama dengan tenaga kinetik nukleon yang mengebom nukleus.

Secara purata, tenaga pengikat ialah 8 MeV, berbeza-beza bergantung kepada ciri-ciri nukleus sebatian yang terhasil, tetapi untuk nukleus dan nukleon sasaran yang diberikan nilai ini adalah pemalar. Tenaga kinetik zarah pengeboman boleh menjadi apa sahaja, sebagai contoh, apabila pengujaan tindak balas nuklear oleh neutron, yang potensinya tidak mempunyai halangan Coulomb, nilainya boleh hampir kepada sifar. Oleh itu, tenaga pengikat ialah tenaga pengujaan minimum nukleus sebatian.

Saluran tindak balas

Peralihan kepada keadaan tidak teruja boleh dilakukan dalam pelbagai cara, dipanggil saluran tindak balas. Jenis dan keadaan kuantum zarah kejadian dan nukleus sebelum permulaan tindak balas ditentukan oleh saluran input tindak balas. Selepas selesai tindak balas, jumlah keseluruhan yang terhasil produk tindak balas dan keadaan kuantum mereka menentukan saluran keluaran tindak balas. Tindak balas dicirikan sepenuhnya oleh saluran input dan output.

Saluran tindak balas tidak bergantung pada kaedah pembentukan nukleus kompaun, yang boleh dijelaskan oleh jangka hayat nukleus kompaun yang panjang, ia seolah-olah "melupakan" bagaimana ia terbentuk, oleh itu, pembentukan dan pereputan nukleus kompaun boleh dianggap sebagai acara bebas. Sebagai contoh, ia boleh dibentuk sebagai nukleus sebatian dalam keadaan teruja dalam salah satu daripada tindak balas berikut:

Selepas itu, dengan syarat tenaga pengujaan adalah sama, nukleus sebatian ini boleh mereput dengan cara yang bertentangan dengan mana-mana tindak balas ini, dengan kebarangkalian tertentu yang tidak bergantung pada sejarah kemunculan nukleus ini. Kebarangkalian pembentukan nukleus sebatian bergantung kepada tenaga dan jenis nukleus sasaran.

Tindak balas nuklear langsung

Perjalanan tindak balas nuklear juga boleh dilakukan melalui mekanisme interaksi langsung pada asasnya, mekanisme sedemikian menunjukkan dirinya pada tenaga yang sangat tinggi bagi zarah pengeboman, apabila nukleon nukleus boleh dianggap sebagai bebas. Tindak balas langsung berbeza daripada mekanisme nukleus kompaun, pertama sekali, dalam pengagihan vektor momentum zarah produk berbanding dengan momentum zarah pengeboman. Berbeza dengan simetri sfera mekanisme nukleus kompaun, interaksi langsung dicirikan oleh arah penerbangan utama produk tindak balas ke hadapan berbanding arah pergerakan zarah kejadian. Pengagihan tenaga zarah produk dalam kes ini juga berbeza. Interaksi langsung dicirikan oleh lebihan zarah tenaga tinggi. Dalam perlanggaran dengan nukleus zarah kompleks (iaitu nukleus lain), proses pemindahan nukleon dari nukleus ke nukleus atau pertukaran nukleon adalah mungkin. Tindak balas sedemikian berlaku tanpa pembentukan nukleus sebatian dan mereka mempunyai semua ciri interaksi langsung.

Keratan rentas tindak balas nuklear

Kebarangkalian tindak balas ditentukan oleh keratan rentas tindak balas nuklear yang dipanggil. Dalam rangka rujukan makmal (di mana nukleus sasaran berada dalam keadaan rehat), kebarangkalian interaksi per unit masa adalah sama dengan hasil keratan rentas (dinyatakan dalam unit luas) dan fluks zarah kejadian (dinyatakan dalam bilangan zarah yang melintasi satu unit luas per unit masa). Jika beberapa saluran keluaran boleh dilaksanakan untuk satu saluran input, maka nisbah kebarangkalian saluran tindak balas keluaran adalah sama dengan nisbah keratan rentasnya. Dalam fizik nuklear, keratan rentas tindak balas biasanya dinyatakan dalam unit khas - bangsal, bersamaan dengan 10 −24 cm².

Keluaran tindak balas

Bilangan kes tindak balas dibahagikan dengan bilangan zarah yang mengebom sasaran dipanggil keluaran tindak balas nuklear. Nilai ini ditentukan secara eksperimen melalui pengukuran kuantitatif. Memandangkan hasil berkait secara langsung dengan keratan rentas tindak balas, mengukur hasil pada asasnya adalah pengukuran keratan rentas tindak balas.

Undang-undang pemuliharaan dalam tindak balas nuklear

Dalam tindak balas nuklear, semua undang-undang pemuliharaan fizik klasik dipenuhi. Undang-undang ini meletakkan sekatan terhadap kemungkinan tindak balas nuklear. Malah proses yang menggalakkan secara bertenaga sentiasa menjadi mustahil jika ia disertai dengan pelanggaran mana-mana undang-undang pemuliharaan. Di samping itu, terdapat undang-undang pemuliharaan khusus untuk dunia mikro; sebahagian daripadanya sentiasa dipenuhi, sejauh yang diketahui (undang-undang pemuliharaan nombor baryon, nombor lepton); undang-undang pemuliharaan lain (isospin, pariti, keanehan) hanya menyekat tindak balas tertentu, kerana mereka tidak berpuas hati untuk beberapa interaksi asas. Akibat undang-undang pemuliharaan adalah apa yang dipanggil peraturan pemilihan, menunjukkan kemungkinan atau larangan tindak balas tertentu.

Undang-undang Pemuliharaan Tenaga

Jika , , , ialah jumlah tenaga dua zarah sebelum dan selepas tindak balas, maka berdasarkan undang-undang pengekalan tenaga:

Apabila lebih daripada dua zarah terbentuk, bilangan sebutan di sebelah kanan ungkapan ini sepatutnya lebih besar. Jumlah tenaga zarah adalah sama dengan tenaga rehatnya Mc 2 dan tenaga kinetik E, Itulah sebabnya:

Perbezaan antara jumlah tenaga kinetik zarah pada "keluaran" dan "masukan" tindak balas Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) dipanggil tenaga tindak balas(atau hasil tenaga tindak balas). Ia memenuhi syarat:

Pengganda 1/ c 2 biasanya diabaikan apabila mengira imbangan tenaga, menyatakan jisim zarah dalam unit tenaga (atau kadangkala tenaga dalam unit jisim).

Jika Q> 0, maka tindak balas itu disertai dengan pembebasan tenaga bebas dan dipanggil exoenergetik , Jika Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergetik .

Ia mudah untuk melihatnya Q> 0 apabila jumlah jisim zarah hasil adalah kurang daripada jumlah jisim zarah awal, iaitu, pembebasan tenaga bebas hanya mungkin dengan mengurangkan jisim zarah yang bertindak balas. Dan sebaliknya, jika jumlah jisim zarah sekunder melebihi jumlah jisim zarah awal, maka tindak balas sedemikian mungkin hanya jika sejumlah tenaga kinetik dibelanjakan untuk meningkatkan tenaga rehat, iaitu, jisim zarah baru. Nilai minimum tenaga kinetik zarah kejadian di mana tindak balas endoenergetik mungkin dipanggil tenaga tindak balas ambang. Tindak balas endoenergetik juga dipanggil tindak balas ambang, kerana ia tidak berlaku pada tenaga zarah di bawah ambang.

Hukum kekekalan momentum

Jumlah momentum zarah sebelum tindak balas adalah sama dengan jumlah momentum zarah hasil tindak balas. Jika , , , ialah vektor momentum dua zarah sebelum dan selepas tindak balas, maka

Setiap vektor boleh diukur secara bebas secara eksperimen, contohnya, dengan spektrometer magnetik. Data eksperimen menunjukkan bahawa undang-undang pemuliharaan momentum adalah sah dalam tindak balas nuklear dan dalam proses penyerakan zarah mikro.

Hukum kekekalan momentum sudut

Tindak balas pelakuran nuklear

Tindak balas pelakuran nuklear- proses pelakuran dua nukleus atom untuk membentuk nukleus baru yang lebih berat.

Sebagai tambahan kepada nukleus baru, semasa tindak balas pelakuran, sebagai peraturan, pelbagai zarah asas dan (atau) kuanta sinaran elektromagnet juga terbentuk.

Tanpa bekalan tenaga luaran, gabungan nukleus adalah mustahil, kerana nukleus bercas positif mengalami daya tolakan elektrostatik - ini adalah apa yang dipanggil "penghalang Coulomb". Untuk mensintesis nukleus, adalah perlu untuk membawanya lebih dekat dengan jarak kira-kira 10-15 m, di mana tindakan interaksi yang kuat akan melebihi daya tolakan elektrostatik. Ini mungkin jika tenaga kinetik mendekati nukleus melebihi halangan Coulomb.

Keadaan sedemikian boleh timbul dalam dua kes:

Jika jirim dipanaskan pada suhu yang sangat tinggi dalam reaktor bintang atau pelakuran. Menurut teori kinetik, tenaga kinetik mikrozarah bergerak bahan (atom, molekul atau ion) boleh diwakili sebagai suhu, dan, oleh itu, dengan memanaskan bahan, tindak balas pelakuran nuklear boleh dicapai. Dalam kes ini, mereka bercakap tentang gabungan termonuklear atau tindak balas termonuklear.

Tindak balas termonuklear

Tindak balas termonuklear- gabungan dua nukleus atom untuk membentuk nukleus baru yang lebih berat, disebabkan oleh tenaga kinetik pergerakan haba mereka.

Untuk tindak balas pelakuran nuklear, nukleus awal mesti mempunyai tenaga kinetik yang agak tinggi, kerana ia mengalami tolakan elektrostatik, kerana ia bercas positif.

Pertama sekali, di antara mereka perlu diperhatikan tindak balas antara dua isotop (deuterium dan tritium) hidrogen, yang sangat biasa di Bumi, akibatnya helium terbentuk dan neutron dilepaskan. Tindak balas boleh ditulis sebagai:

+ tenaga (17.6 MeV).

Tenaga yang dibebaskan (yang timbul daripada fakta bahawa helium-4 mempunyai ikatan nuklear yang sangat kuat) bertukar menjadi tenaga kinetik, yang kebanyakannya, 14.1 MeV, dibawa pergi oleh neutron sebagai zarah yang lebih ringan. Nukleus yang terhasil diikat rapat, itulah sebabnya tindak balas itu sangat eksoenergetik. Tindak balas ini dicirikan oleh penghalang Coulomb yang paling rendah dan hasil yang tinggi, jadi ia adalah kepentingan khusus untuk pelakuran termonuklear terkawal.

Tindak balas fotonuklear

Apabila kuantum gamma diserap, nukleus menerima tenaga berlebihan tanpa mengubah komposisi nukleonnya, dan nukleus dengan tenaga berlebihan ialah nukleus majmuk. Seperti tindak balas nuklear lain, penyerapan kuantum gamma oleh nukleus hanya mungkin jika tenaga yang diperlukan dan hubungan putaran dipenuhi. Jika tenaga yang dipindahkan ke nukleus melebihi tenaga pengikat nukleon dalam nukleus, maka pereputan nukleus sebatian yang terhasil paling kerap berlaku dengan pelepasan nukleon, terutamanya neutron. Pereputan sedemikian membawa kepada tindak balas nuklear dan, yang dipanggil fotonuklear, dan fenomena pelepasan nukleon dalam tindak balas ini ialah kesan fotoelektrik nuklear.

Lain-lain

Merekod tindak balas nuklear

Tindak balas nuklear ditulis dalam bentuk formula khas di mana sebutan nukleus atom dan zarah asas ditemui.

Cara pertama menulis formula untuk tindak balas nuklear adalah serupa dengan menulis formula untuk tindak balas kimia, iaitu jumlah zarah asal ditulis di sebelah kiri, jumlah zarah yang terhasil (hasil tindak balas) ditulis di sebelah kanan, dan anak panah diletakkan. antara mereka.

Oleh itu, tindak balas penangkapan sinaran neutron oleh nukleus kadmium-113 ditulis seperti berikut:

Kita lihat bahawa bilangan proton dan neutron di sebelah kanan dan kiri kekal sama (nombor baryon dipelihara). Perkara yang sama berlaku untuk cas elektrik, nombor lepton dan kuantiti lain (tenaga, momentum, momentum sudut, ...). Dalam sesetengah tindak balas di mana interaksi lemah terlibat, proton boleh bertukar menjadi neutron dan sebaliknya, tetapi jumlah bilangan mereka tidak berubah.

Cara kedua notasi, lebih mudah untuk fizik nuklear, mempunyai bentuk A (a, bcd...) B, Di mana A- teras sasaran, A- mengebom zarah (termasuk nukleus), b, c, d,…- zarah yang dipancarkan (termasuk nukleus), DALAM- teras sisa. Produk tindak balas yang lebih ringan ditulis dalam kurungan, yang lebih berat ditulis di luar. Oleh itu, tindak balas tangkapan neutron di atas boleh ditulis dalam bentuk ini.

Fenomena pereputan spontan nukleus nukleus yang tidak stabil, akibatnya nukleus satu nuklida baru atau lebih terbentuk, disertai dengan sinaran pengionan, dipanggil radioaktiviti. Radioaktiviti ditemui pada tahun 1896 oleh Becquerel. Semua nuklida unsur berat di hujung Jadual Berkala adalah radioaktif, bermula dengan polonium (86 Po), dan semua nuklida diperoleh secara buatan hasil daripada tindak balas nuklear. Kestabilan radionuklid dicirikan oleh separuh hayatnya: masa di mana separuh daripada nukleus asal mereput. Ia berkisar antara ratusan juta tahun hingga pecahan kecil sesaat.

Jenis sinaran pengionan utama berikut boleh dibezakan.

1. Pembebasan nukleus atom helium bercas positif 4 2 He, dipanggil zarah-a. Mereka mempunyai keupayaan penembusan yang rendah (diserap oleh lapisan udara setebal beberapa sentimeter, sehelai kertas, dll.), tetapi mempamerkan keupayaan mengion yang sangat tinggi. Sebagai sumber luaran, pemancar α tidak berbahaya, tetapi penembusannya ke dalam organisma adalah sangat berbahaya.

Sinaran radioaktif jenis ini adalah ciri nukleus unsur berat. Dalam kes ini, caj nukleus asal Z berkurang sebanyak 2 unit, dan nombor jisim A - sebanyak 4 unit, i.e. nuklida unsur terbentuk, dianjak dalam Jadual Berkala oleh dua sel ke kiri daripada unsur radioaktif asal, dengan nombor jisim kurang daripada 4 unit ( Peraturan anjakan radioaktif Soddy - Faience)

Contohnya:

2. Pembebasan elektron e(), membawa cas negatif dan dipanggil (3-zarah. Mereka mempunyai kuasa penembusan yang lebih besar daripada a-zarah, tetapi kurang keupayaan mengion. Apabila memancarkan (3-zarah), cas nukleus meningkat satu, tetapi nombor jisim tidak berubah, iaitu nuklida unsur terbentuk yang dianjakkan dalam Jadual Berkala satu sel ke kanan daripada unsur radioaktif asal dengan nombor jisim yang sama (. peraturan (3-anjakan Soddy radioaktif - Faience):

Contohnya:

(3-radiasi adalah tipikal untuk radionuklid yang mempunyai lebihan bilangan neutron berbanding nukleus stabil.

Sejenis sinaran sedemikian boleh dianggap sebagai aliran antizarah elektron - positron e + ( ^e), mempunyai jisim yang sama seperti elektron, tetapi cas positif ((3 + zarah). Apabila zarah P + dipancarkan, cas nukleus berkurangan satu, tetapi nombor jisim tidak berubah:

Contohnya:

K-capture—penangkapan elektron oleh nukleus dari kuantum K-level yang paling hampir dengannya—menghasilkan hasil yang serupa:

p + -radiasi dan K-capture adalah ciri radionuklid yang mempunyai bilangan proton yang agak berlebihan. (Semasa pereputan p + - dan p, zarah neutral khas dengan jisim yang boleh diabaikan juga dipancarkan - neutrino o dan antineutrino o; ia biasanya tidak termasuk dalam persamaan tindak balas nuklear.)

3. Sinaran elektromagnet gelombang pendek keras dengan panjang gelombang lebih pendek daripada sinar-x, yang mengiringi banyak transformasi nuklear, dipanggil sinaran-y. Ia tidak menyimpang dalam medan elektrik dan magnet dan mempunyai kuasa penembusan yang tinggi. Caj dan nombor jisim nukleus semasa pancaran-y kekal tidak berubah. Tiada perubahan unsur kimia kepada unsur lain. sinaran-y disebabkan oleh peralihan nukleus radionuklid daripada keadaan teruja kepada keadaan kurang teruja atau pegun.
4. Sinaran neutron (J n), selalunya terhasil daripada tindak balas nuklear, terutamanya daripada tindak balas pembelahan nukleus atom. Oleh kerana kekurangan cas dan kehadiran jisim yang ketara, ia mempunyai kuasa penembusan yang hebat dan keupayaan untuk memulakan tindak balas nuklear (radioaktiviti teraruh).

Tindak balas nuklear - Ini adalah transformasi nukleus nuklida. Keradioaktifan adalah kes khas tindak balas nuklear penguraian spontan.

Jenis tindak balas nuklear lain berlaku semasa interaksi nukleus nukleus dengan zarah asas, nukleus ringan dan y-quanta. Biasanya, interaksi sedemikian dihalang oleh halangan berpotensi yang ketara. Ia diatasi dengan mengebom sasaran dengan zarah yang lebih ringan dengan tenaga kinetik yang tinggi daripada bahan yang mengandungi nukleus nuklida yang lebih berat. Zarah pengeboman bercas dipercepatkan dalam pemecut, contohnya, dalam synchrophasotrons. Dalam pelanggar hadron (dari untuk berlanggar - berlanggar) dua aliran nukleus nuklida berat (andron) memecut ke arah yang bertentangan dan berlanggar di zon tertentu. Neutron yang tidak dicas secara elektrik menerima tenaga yang tinggi dalam reaktor nuklear (neutron cepat).

Tindak balas nuklear buatan pertama telah dijalankan oleh Rutherford pada tahun 1919 dengan mengebom nuklida nitrogen-14 dengan nukleus helium-4 (a-zarah):

Dalam fizik nuklear, bentuk notasi yang disingkatkan lebih kerap digunakan: ^Na(a,/>) "O. Ini adalah contoh tindak balas pertukaran nuklear. Contoh tindak balas pertukaran jenis lain:

Banyak unsur tiruan Jadual Berkala yang tidak terdapat dalam alam semula jadi telah diperolehi oleh jenis tindak balas pertukaran. Dalam kes ini, sasaran yang diperbuat daripada nuklida berat yang agak stabil dan boleh diakses dihujani oleh nukleus nuklida lain. Sebagai contoh, californium diperolehi dengan mengebom samarium dengan nukleus helium: 2 9bCsh (a, «) 2 9gCf, dan bohrium 2 Jj 2 Bh - dengan gabungan bismut 2 ^Bi dan nukleus kromium 26 Cr.

Tindak balas di mana zarah pengeboman (contohnya, neutron perlahan) kekal dalam nukleus dengan pelepasan tenaga pengujaan nuklear dalam bentuk sinaran-y dipanggil reaksi tangkapan. Contohnya: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-

Proses sebaliknya, yang dipanggil kesan fotoelektrik nuklear, adalah mungkin - penyerapan kuantum y, akibatnya zarah nuklear (selalunya neutron) dipancarkan:

93-7,. Saya 92 7_ Saya 1
40Zr + y -> 40 Zr + 0 p.

Radionuklid uranium 2 Qi, 2 Qi dan plutonium ^Pu menyerap neutron dan dibahagikan kepada dua "serpihan" jisim sebanding dan dua atau tiga neutron, contohnya:

Reaksi sedemikian dipanggil tindak balas pembelahan. Dalam keadaan tertentu, neutron yang dilepaskan boleh memulakan sejumlah besar peristiwa pembelahan baru, yang akan membawa kepada tindak balas rantai nuklear. Jumlah jisim serpihan dan neutron (Et y) adalah kurang daripada nukleus fisil ( T). Menurut persamaan Einstein, ini sepadan dengan pelepasan tenaga:

Semasa satu peristiwa pembelahan nuklear, kira-kira 200 MeV dilepaskan; Apabila satu mol uranium-235 (235 g) pembelahan, tenaga yang sangat besar dibebaskan - kira-kira 2 10 10 kJ! (Sebagai perbandingan: pembakaran jisim metana yang sama, CH 4, membebaskan kurang daripada 1 10 4 kJ.) Tindak balas berantai yang tidak terkawal membawa kepada letupan nuklear. Tindak balas terkawal ialah sumber tenaga yang dihasilkan di loji kuasa nuklear.

Gabungan dua nukleus ringan menjadi satu yang lebih berat dipanggil tindak balas pelakuran termonuklear. Apabila tindak balas sedemikian berlaku, tenaga yang sangat besar dibebaskan, kerana jisim nukleus awal adalah kurang daripada nukleus hasil tindak balas sedemikian. Sebagai contoh, dalam tindak balas tritium (hidrogen-3) dan deuterium (hidrogen-2):

apabila menghasilkan satu nukleus helium-4, 17.6 MeV dibebaskan, yang bersamaan dengan 1.7 10 9 kJ setiap mol (4.0 g) helium. Per unit jisim, ini adalah kira-kira empat kali lebih banyak daripada pembelahan nukleus uranium-235. Walau bagaimanapun, untuk nukleus bergabung, adalah perlu untuk mengatasi daya tolakan Coulomb mereka. Ini boleh dilakukan dengan meningkatkan suhu kepada ratusan juta darjah. Tindak balas ini berlaku di kedalaman Matahari. Buat pertama kalinya di Bumi, tindak balas gabungan termonuklear spontan telah dilakukan dalam bom hidrogen yang dipanggil, di mana suhu yang diperlukan dicapai oleh letupan bom nuklear, yang berfungsi sebagai "fius". Kerja sedang giat dijalankan di seluruh dunia untuk melaksanakan tindak balas pelakuran termonuklear terkawal.

– proses interaksi nukleus dengan zarah asas atau nukleus lain, di mana perubahan dalam struktur dan sifat nukleus berlaku. Contohnya, pelepasan zarah asas oleh nukleus, pembelahannya, pelepasan foton bertenaga tinggi ( sinar gama). Salah satu hasil tindak balas nuklear ialah pembentukan isotop yang tidak wujud secara semula jadi di Bumi.

Tindak balas nuklear boleh berlaku apabila atom dihujani oleh zarah laju ( proton , neutron , ion , zarah alfa ).

Maklumat yang lebih berguna mengenai pelbagai topik terdapat dalam telegram kami.

Tindak balas nuklear

Salah satu tindak balas nuklear pertama yang dilakukan oleh manusia telah dilakukan Rutherford V 1919 tahun untuk mengesan proton. Pada masa itu belum diketahui bahawa nukleus terdiri daripada nukleon (proton Dan neutron). Semasa pemisahan banyak unsur, satu zarah ditemui yang merupakan nukleus atom hidrogen. Berdasarkan eksperimen, Rutherford membuat andaian bahawa zarah ini adalah sebahagian daripada semua nukleus.

Reaksi ini betul-betul menggambarkan salah satu eksperimen saintis. Dalam eksperimen, gas lebih tinggi ( nitrogen) dibombardir zarah alfa (nukleus helium), yang, mengetuk keluar nukleus nitrogen proton , menukarkannya kepada isotop oksigen. Rakaman reaksi ini kelihatan seperti ini:

Apabila menyelesaikan masalah yang melibatkan tindak balas nuklear, harus diingat bahawa apabila ia berlaku, undang-undang pemuliharaan klasik dipenuhi: caj , momentum sudut , dorongan Dan tenaga .

Ada juga undang-undang pemuliharaan caj baryon . Ini bermakna bilangan nukleon yang mengambil bahagian dalam tindak balas kekal tidak berubah. Jika kita melihat tindak balas, kita melihat bahawa jumlah nombor jisim (nombor di atas) dan nombor atom l (bawah) di sebelah kanan dan kiri persamaan adalah sama.

By the way! Kini terdapat diskaun untuk semua pembaca kami 10% pada .

Tenaga pengikat khusus nukleus

Seperti yang diketahui, salah satu interaksi fizikal asas beroperasi di dalam nukleus pada jarak urutan saiznya - interaksi yang kuat . Untuk mengatasinya dan "memusnahkan" teras, sejumlah besar tenaga diperlukan.

Tenaga pengikat nuklear - tenaga minimum yang diperlukan untuk membelah nukleus atom kepada zarah asas konstituennya.

Jisim mana-mana nukleus atom adalah kurang daripada jisim zarah konstituennya. Perbezaan antara jisim nukleus dan nukleon konstituennya dipanggil kecacatan jisim:

Nombor Z Dan N mudah ditentukan menggunakan Jadual berkala, dan anda boleh membaca tentang cara ini dilakukan. Tenaga pengikat dikira menggunakan formula:

Tenaga tindak balas nuklear

Tindak balas nuklear disertai dengan transformasi tenaga. Terdapat kuantiti yang dipanggil hasil tenaga tindak balas dan ditentukan oleh formula

Delta M – kecacatan jisim, tetapi dalam kes ini ia adalah perbezaan jisim antara produk awal dan akhir tindak balas nuklear.

Tindak balas boleh berlaku dengan pembebasan tenaga dan dengan penyerapannya. Tindak balas sedemikian dipanggil masing-masing eksotermik Dan endotermik .
Untuk bocor tindak balas eksotermik , syarat berikut mesti dipenuhi: tenaga kinetik hasil awal mestilah lebih besar daripada tenaga kinetik hasil yang terbentuk semasa tindak balas.

Tindak balas endotermik mungkin apabila tenaga pengikat tertentu nukleon dalam produk awal adalah kurang daripada tenaga pengikat khusus nukleus produk akhir.

Contoh penyelesaian masalah tindak balas nuklear

Dan kini beberapa contoh praktikal dengan penyelesaian:

Walaupun anda menghadapi masalah dengan asterisk, perlu diingat bahawa tidak ada masalah yang tidak dapat diselesaikan. Perkhidmatan pelajar akan membantu anda menyelesaikan sebarang tugas.