☰

Перша ядерна реакція. Ядерні реакції: просто і зрозуміло

Ядерною реакцією називається процес сильної взаємодії атомного ядра з елементарною частинкою або іншим ядром, що призводить до перетворення ядра. Найбільш поширеним видом ядерної реакції є реакція типу , де
- легкі частки - нейтрон, протон, -частка, -Квант.

Реакції, що викликаються не дуже швидкими частинками, протікають у два етапи. На першому етапі частинки, що наблизилися до ядра, захоплюються ним, утворюючи проміжне ядро ​​– компаунд-ядро. Енергія, привнесена часткою, перерозподіляється між нуклонами, і ядро ​​виявляється у збудженому стані. На другому етапі ядро ​​випускає частинку . .

Якщо
, то це не ядерна реакція, а процес розсіювання. Якщо
- пружне розсіювання, якщо
- Непружне розсіювання.

Реакції, викликані швидкими нуклонами, відбуваються без утворення проміжного ядра – це прямі ядерні взаємодії.

Реакції поділяються:

    за родом частин, що беруть участь у ядерних реакціях.

    По енергії частинок, що беруть участь (холодні, гарячі)

    За родом ядер, що у реакції (легкі, середні, важкі)

    За характером продуктів, одержуваних у результаті реакції (елементарні частки, протони, нейтрони)

Реакції поділу ядер. В 1938 Ган і Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини періодичної системи. Реакція характеризується виділенням величезної кількості енергії. Згодом було з'ясовано, що ядро, що захопило нейтрон, може ділитися різними шляхами. Продукти розподілу називаються осколками. Найбільш ймовірним є поділ на уламки, маси яких відносяться як:

Церій - стабільний

Цирконій – стабільний.

Ядро урану ділиться лише швидкими нейтронами. При менших енергіях нейтрони поглинаються, і ядро ​​перетворюється на збуджений стан – це радіаційне захоплення.

Нейтрони, які утворюються в результаті поділу урану, можуть викликати ще реакцію, і т.д. - Це ланцюгова ядерна реакція. Коефіцієнт розмноження нейтронів – це відношення числа нейтронів у цьому поколінні до нейтронів у попередньому поколінні. Ланцюгова реакція йде при
.

Через кінцеві розміри тіла, що ділиться і великий проникаючої здатності, багато нейтронів залишають зону реакції до того, як будуть захоплені ядром. Якщо маса урану, що розділяється, менше деякої критичної, то більшість нейтронів вилітають назовні і ланцюгова реакція не відбувається. Якщо маса більша критичної, нейтрони швидко розмножуються, і реакція має характер вибуху (на цьому заснована дія атомної бомби). У реакторах регулюють критичну масу, поглинаючи зайві нейтрони кадмієвими та вугільними стрижнями.

Злиття легких ядер на більш важкі – це реакція синтезу. Якщо реакція відбувається за високих температур – це термоядерна реакція. Термоядерна реакція є, мабуть, одним із джерел енергії Сонця та зірок.

Типи взаємодії елементарних частинок.

Розвиток фізики елементарних частинок пов'язані з вивченням космічних променів. Існує 2 типи космічного випромінювання: первинне, що надходить із космосу і що складається в основному з високоенергетичних протонів, і вторинне, яке утворюється в результаті взаємодії первинних космічних променів з ядрами атомів земної атмосфери. У вторинному випромінюванні виділяють жорстку та м'яку компоненти.

Існує 4 типи взаємодії:

Сильна взаємодія в 100 разів більша, ніж електромагнітна, і в 10 14 разів, ніж слабка. Радіус дії сильної 10 -15 м, слабкої 10 -19 м.

Визначення 1

Ядерною реакцієюу широкому розумінні називають процес, який відбувається внаслідок взаємодії кількох складних атомних ядер чи елементарних частинок. Так само ядерними реакціями називають такі реакції, в яких серед вихідних частинок є хоча б одне ядро, воно стикається з іншим ядром або елементарною частинкою, в результаті чого відбувається ядерна реакція і створюються нові частинки.

Як правило, ядерні реакції відбуваються під діями ядерних сил. Проте ядерна реакція розпаду ядра під впливом $\gamma $ -- квантів високих енергій чи швидких електронів відбувається під впливом електромагнітних, а чи не ядерних сил, оскільки ядерні сили на фотони і електрони не діють. До ядерних реакцій відносять процеси, що відбуваються при зіткненні нейтрино коїться з іншими частинками, але вони протікають при слабкому взаємодії.

Ядерні реакції можуть проходити в природних умовах (у надрах зірок, у космічних променях). Вивчення ядерних реакцій відбувається у лабораторіях на експериментальних установках, у яких енергія зарядженим часткам передається з допомогою прискорювачів. У цьому випадку більш важкі частки перебувають у стані спокою та їх називають частинками-мішенями. На них налітають легші частинки, що входять до складу прискореного пучка. У прискорювачах на зустрічних пучках поділ на мішені і пучки немає сенсу.

Енергія позитивно зарядженої частинки пучка має бути порядку або більше кулонівського потенційного бар'єру ядра. У $1932$ Дж. Кокрофт та Е. Уолтон вперше здійснили штучне розщеплення ядер літію шляхом бомбардування протонами, енергія яких була меншою висоти кулонівського бар'єру. Проникнення протона в ядро ​​літію відбулося шляхом тунельного переходу через потенційний кулонівський бар'єр. Для негативно заряджених і нейтральних частинок кулонівського потенційного бар'єру немає і ядерні реакції можуть відбуватися навіть за теплових енергіях частинок які налітають.

Найпоширенішим і наочним записом ядерних реакцій взято з хімії. Зліва записують суму частинок до реакції, а праворуч суму кінцевих продуктів реакції:

описує ядерну реакцію, яка відбувається в результаті бомбардування ізотопу літію $()^7_3(Li)$ протонами, внаслідок чого виникає нейтрон та ізотоп берилію $()^7_4(Be)$.

Ядерні реакції часто записуються в символічній формі: $ A \ left (a, bcd \ dots \ right) B $, де $ A $ - ядро ​​мішені, $ a $ - бомбардуюча частка, $ b cd \ dots і \ B $ - - відповідно частинки та ядро, які утворюються в результаті реакції. Реакцію вище можна переписати як $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Іноді використовують запис іду $(p,n)$, що означає вибивання нейтрона з деякого ядра під дією протона.

Кількісний опис реакцій

Кількісне опис ядерних реакцій з погляду квантової-механіки можливе лише статистичним способом, тобто. можна говорити про деяку ймовірність різних процесів, що характеризують ядерну реакцію. Таким чином, реакція $a+A\to b+B$, в початковому та кінцевому стані якої є по дві частинки, у цьому розумінні повністю характеризується диференціальним ефективним перерізом розсіювання $dsigma /dOmega $ всередині тілесного угла $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, де $\theta $ і $\varphi $ - полярний і азимутальний кути вильоту однієї з частинок, при цьому кут $\theta $ обчислюється від початку руху бомбардуючої частки. Залежність диференціального перерізу від кутів $theta $і $varphi $ називається кутовим розподілом частинок, які утворюють реакцію. Повним або інтегральним перерізом, яким характеризується інтенсивність реакції, називається диференціальний ефективний переріз, проінтегрований за всіма значеннями кутів $theta $ і $varphi $:

Ефективний переріз можна інтерпретувати як майданчик, потрапляючи у межі якого налітаюча частка викличе цю ядерну реакцію. Ефективний переріз ядерної реакції вимірюється в барнах $1 \ б = (10) ^ (-28) \ м ^ 2 $.

Ядерні реакції характеризуються виходом реакції. Виходом ядерної реакції $W$ називається частка частинок пучка, які отримали ядерну взаємодію з частинками мішені. Якщо $S$ -- площа перерізу пучка., $I$ -- щільність потоку пучка, то таку ж площу мішені кожну секунду потрапляє $N=IS$ частинок. З них в одну секунду в середньому реагує $ triangle N = IS sigma n $ частинок, де $ sigma $ - ефективне переріз реакції частинок пучка, $ n $ - концентрація ядер у мішені. Тоді:

Різні класифікації ядерних реакцій

Ядерні реакції можна класифікувати за такими ознаками:

  • за природою частинок, що беруть участь у реакції;
  • за масовим числом ядер, що беруть участь у реакції;
  • за енергетичним (тепловим) ефектом;
  • за характером ядерних перетворень.

За значенням енергії $E$ частинок, що викликають реакції, розрізняють такі реакції:

  • при малих енергіях ($ E \ le 1 \ кеВ $);
  • при низьких енергіях ($1\ кеВ\le E\le 1\МеВ$);
  • при середніх енергіях ($1 \ МеВ \ le E \ le 100 \ МеВ $);
  • при значних енергіях ($ 100 \ МеВ \ le E \ le 1 \ ГеВ) $;
  • при високих енергіях ($1\ ГеВ\le E\le 500\ГеВ$);
  • при надвисоких енергіях ($ E> 500 \ ГеВ $).

Залежно від енергії частки $a$ для тих самих ядер $A$ відбуваються різні перетворення на ядерних реакціях. Наприклад розглянемо реакцію бомбардування ізотопу фтору нейтронами різних енергій:

Малюнок 1.

Залежно від природи частинок, що беруть участь у ядерних реакціях, їх поділяють на такі види:

  • під впливом нейтронів;
  • під впливом фотонів;
  • під впливом заряджених частинок.

За масовим числом ядер ядерні реакції ділять на такі види:

  • на легких ядрах ($A
  • на середніх ядрах ($50
  • на потужних ядрах ($A >100$).

За характером перетворень, що у ядрі, реакції поділяють на:

  • радіаційне захоплення;
  • кулонівське збудження;
  • розподіл ядер;
  • реакція вибуху;
  • ядерний фотоефект.

Під час розгляду ядерних реакцій використовують такі законы:

  • закон збереження енергії;
  • закон збереження імпульсу;
  • закон збереження електричного заряду;
  • закон збереження баріонного заряду;
  • закон збереження лептонного заряду.

Зауваження 1

Закони збереження дають можливість передбачити, які з уявно можливих реакцій можуть бути реалізованими, а які немає у зв'язку з невиконанням одного або кількох законів збереження. У цьому співвідношенні закони збереження відіграють важливу роль для ядерних реакцій.

Ядерна реакція характеризується енергією ядерної реакції $Q$. Якщо реакція протікає із виділенням енергії $Q >0$, то реакція називається екзотермічною; якщо реакція проходить із поглинанням тепла $Q

· Ізомерний перехід

також: Портал:Фізика

Ядерна реакція- процес утворення нових ядер чи частинок при зіткненнях ядер чи частинок. Вперше ядерну реакцію спостерігав Резерфорд в 1919 році, бомбардуючи α-частинками ядра атомів азоту, вона була зафіксована за появою вторинних іонізуючих частинок, що мають пробіг у газі більше пробігу α-часток та ідентифікованих як протони. Згодом камерою Вільсона були отримані фотографії цього процесу.

За механізмом взаємодії ядерні реакції поділяються на два види:

  • Реакції з утворенням складеного ядра, це двостадійний процес, що протікає при невеликій кінетичній енергії зіштовхуються частинок (приблизно до 10 МеВ).
  • прямі ядерні реакції, що проходять за ядерний час, необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро. Головним чином такий механізм проявляється при великих енергіях частинок, що бомбардують.

Якщо після зіткнення зберігаються вихідні ядра та частки і не народжуються нові, то реакція є пружним розсіюванням у полі ядерних сил, що супроводжується лише перерозподілом кінетичної енергії та імпульсу частки та ядра-мішені та називається потенційним розсіюванням .

Механізми ядерної реакції

Складове ядро

Теорія механізму реакції з утворенням складового ядра була розроблена Нільсом Бором в 1936 спільно з теорією краплинної моделі ядра і лежить в основі сучасних уявлень про велику частину ядерних реакцій.

Відповідно до цієї теорії ядерна реакція йде у два етапи. Спочатку вихідні частинки утворюють проміжне (складове) ядро ​​за ядерний час, тобто час, необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро, приблизно рівне 10 −23 - 10 −21 . При цьому складове ядро ​​завжди утворюється в збудженому стані, так як воно має надлишкову енергію, що привносить часткою в ядро ​​у вигляді енергії зв'язку нуклону в складовому ядрі і частини його кінетичної енергії, яка дорівнює сумі кінетичної енергії ядра-мішені з масовим числом і частинки в системі центру інерції.

Енергія збудження

Енергія збудження складового ядра, що утворився при поглинанні вільного нуклону, дорівнює сумі енергії зв'язку нуклону та частини його кінетичної енергії:

Найчастіше внаслідок великої різниці в масах ядра і нуклону приблизно дорівнює кінетичній енергії нуклону, що бомбардує ядро.

У середньому енергія зв'язку дорівнює 8 МеВ, змінюючись залежно від особливостей складового ядра, що утворюється, проте для даних ядра-мішені і нуклону ця величина є константою. Кінетична ж енергія бомбардуючої частинки може бути будь-якої, наприклад, при збудженні ядерних реакцій нейтронами, потенціал яких не має кулонівського бар'єру, значення може бути близьким до нуля. Таким чином, енергія зв'язку є мінімальною енергією збудження складеного ядра.

Канали реакцій

Перехід у незбуджений стан може здійснюватися різними шляхами, які називаються каналами реакції. Типи і квантовий стан частинок, що налітають, і ядер до початку реакції визначають вхідний каналреакції. Після завершення реакції сукупність утворених продуктів реакціїта їх квантових станів визначає вихідний каналреакції. Реакція повністю характеризується вхідним та вихідним каналами.

Канали реакції не залежать від способу утворення складеного ядра, що може бути пояснено великим часом життя складеного ядра, воно як би «забуває», яким способом утворилося, отже, освіту та розпад складеного ядра можна розглядати як незалежні події. Наприклад, може утворитися як складове ядро ​​у збудженому стані в одній з наступних реакцій:

Згодом, за умови однакової енергії збудження, це складове ядро ​​може розпастися шляхом, зворотним будь-якої з цих реакцій, з певною ймовірністю, яка не залежить від історії виникнення цього ядра. Імовірність утворення складового ядра залежить від енергії і від сорту ядра-мішені.

Прямі ядерні реакції

Перебіг ядерних реакцій можливий і через механізм прямої взаємодії, в основному такий механізм проявляється при дуже великих енергіях бомбардуючих частинок, коли нуклони ядра можна розглядати як вільні. Від механізму складового ядра прямі реакції відрізняються, перш за все, розподілом векторів імпульсів частинок-продуктів щодо імпульсу частинок, що бомбардують. На відміну від сферичної симетрії механізму складового ядра для прямої взаємодії характерний переважний напрямок польоту продуктів реакції вперед щодо напрямку руху частинок, що налітають. Розподіли за енергіями частинок-продуктів у випадках також різні. Для прямої взаємодії характерний надлишок частинок із високою енергією. При зіткненнях із ядрами складних частинок (тобто інших ядер) можливі процеси передачі нуклонів від ядра до ядра чи обмін нуклонами. Такі реакції відбуваються без утворення складеного ядра і їм притаманні всі особливості прямої взаємодії.

Перетин ядерної реакції

Імовірність реакції визначається так званим ядерним перерізом реакції. У лабораторній системі відліку (де ядро-мішень спочиває) можливість взаємодії в одиницю часу дорівнює добутку перерізу (вираженого в одиницях площі) на потік часток, що падають (виражений у кількості частинок, що перетинають за одиницю часу одиничний майданчик). Якщо одного вхідного каналу можуть здійснюватися кілька вихідних каналів, то відносини ймовірностей вихідних каналів реакції дорівнює відношенню їх перерізів. У ядерній фізиці перерізи реакцій зазвичай виражаються у спеціальних одиницях - барнах , рівних 10 -24 см ².

Вихід реакції

Число випадків реакції, віднесене до бомбардували мішень частинок , називається виходом ядерної реакції. Ця величина визначається досвіді при кількісних вимірах. Оскільки вихід безпосередньо пов'язаний з перерізом реакції, вимір по суті є вимірюванням перерізу реакції .

Закони збереження в ядерних реакціях

При ядерних реакціях виконуються закони збереження класичної фізики. Ці закони накладають обмеження можливість здійснення ядерної реакції. Навіть енергетично вигідний процес завжди виявляється неможливим, якщо супроводжується порушенням будь-якого закону збереження. Крім того, існують закони збереження, специфічні для мікросвіту; деякі з них виконуються завжди, наскільки це відомо (закон збереження баріонного числа, лептонного числа); інші закони збереження (ізоспину, парності, дивності) лише пригнічують певні реакції, оскільки не виконуються для деяких із фундаментальних взаємодій. Наслідками законів збереження є звані правила відбору , що вказують можливість чи заборона тих чи інших реакцій.

Закон збереження енергії

Якщо , , , - повні енергії двох частинок до реакції та після реакції, то на підставі закону збереження енергії:

При утворенні більше двох частинок відповідно кількість доданків у правій частині цього виразу має бути більшою. Повна енергія частки дорівнює її енергії спокою Mc 2 та кінетичної енергії Eтому:

Різниця сумарних кінетичних енергій частинок на «виході» та «вході» реакції Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) називається енергією реакції(або енергетичним виходом реакції). Вона задовольняє умову:

Множник 1/ c 2 зазвичай опускають, при підрахунку енергетичного балансу виражаючи маси частинок в енергетичних одиницях (або іноді енергії в масових одиницях).

Якщо Q> 0, то реакція супроводжується виділенням вільної енергії та називається екзоенергетичної , якщо Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется ендоенергетичної .

Легко помітити, що Q> 0 тоді, коли сума мас частинок-продуктів менше суми мас вихідних частинок, тобто виділення вільної енергії можливе лише рахунок зниження мас реагуючих частинок. І навпаки, якщо сума мас вторинних частинок перевищує суму вихідних мас, то така реакція можлива лише за умови витрати якоїсь кількості кінетичної енергії на збільшення енергії спокою, тобто мас нових частинок. Мінімальне значення кінетичної енергії налітає частки, при якій можлива ендоенергетична реакція, називається пороговий енергією реакції. Ендоенергетичні реакції називають також пороговими реакціямиоскільки вони не відбуваються при енергіях частинок нижче порога.

Закон збереження імпульсу

Повний імпульс частинок до реакції дорівнює повному імпульсу частинок продуктів реакції. Якщо , , , - вектори імпульсів двох частинок до реакції після реакції, то

Кожен вектор може бути незалежно виміряний на досвіді, наприклад, магнітним спектрометром . Експериментальні дані свідчать, закон збереження імпульсу справедливий як із ядерних реакціях, і у процесах розсіювання мікрочастинок.

Закон збереження моменту імпульсу

Ядерна реакція синтезу

Ядерна реакція синтезу- процес злиття двох атомних ядер із заснуванням нового, важчого ядра.

Крім нового ядра, в ході реакції синтезу, як правило, утворюються різні елементарні частинки і (або) кванти електромагнітного випромінювання.

Без підведення зовнішньої енергії злиття ядер неможливе, оскільки позитивно заряджені ядра відчувають сили електростатичного відштовхування – це так званий «Кулонівський бар'єр». Для синтезу ядер необхідно зблизити їх на відстань близько 10 -15 м, на якому дія сильної взаємодії перевищуватиме сили електростатичного відштовхування. Це можливо у випадку, якщо кінетична енергія ядер, що зближуються, перевищує кулоновський бар'єр.

Такі умови можуть скластися у двох випадках:

  • Якщо речовина нагрівається до надзвичайно високих температур у зірці чи термоядерному реакторі. Згідно з кінетичною теорією, кінетичну енергію рухомих мікрочастинок речовини (атомів, молекул або іонів) можна подати у вигляді температури, а, отже, нагріваючи речовину, можна досягти ядерної реакції синтезу. У такому випадку говорять про термоядерний синтез або термоядерну реакцію.

Термоядерна реакція

Термоядерна реакція- Злиття двох атомних ядер з утворенням нового, більш важкого ядра, за рахунок кінетичної енергії їхнього теплового руху.

Для ядерної реакції синтезу вихідні ядра повинні мати відносно велику кінетичну енергію, оскільки вони зазнають електростатичного відштовхування, оскільки однойменно позитивно заряджені.

Насамперед, у тому числі слід відзначити реакцію між двома ізотопами (дейтерій і тритій) дуже поширеного Землі водню, у результаті якої утворюється гелій і виділяється нейтрон. Реакція може бути записана у вигляді:

+ Енергія (17,6 МеВ).

Виділена енергія (що виникає через те, що гелій-4 має дуже сильні ядерні зв'язки) переходить у кінетичну енергію, більшу частину з якої, 14,1 МеВ, забирає з собою нейтрон як легша частка. Ядро, що утворилося, міцно пов'язане, тому реакція так сильно екзоенергетична. Ця реакція характеризується нижчим кулонівським бар'єром і великим виходом, тому вона становить особливий інтерес для керованого термоядерного синтезу.

Фотоядерна реакція

При поглинанні гамма-кванту ядро ​​отримує надлишок енергії без зміни свого нуклонного складу, а ядро ​​з надлишком енергії є складовим ядром. Як і інші ядерні реакції, поглинання ядром гамма-кванту можливе лише при виконанні необхідних енергетичних та спинових співвідношень. Якщо передана ядру енергія перевищує енергію зв'язку нуклону в ядрі, то розпад складеного ядра, що утворився, відбувається найчастіше з випусканням нуклонів, в основному, нейтронів . Такий розпад веде до ядерних реакцій і , які називаються фотоядерними, А явище випромінювання нуклонів у цих реакціях - ядерним фотоефектом.

Інші

Запис ядерних реакцій

Ядерні реакції записуються у вигляді спеціальних формул, у яких зустрічаються позначення атомних ядер та елементарних частинок.

Перший спосібнаписання формул ядерних реакцій аналогічний запису формул хімічних реакцій , тобто зліва записується сума вихідних частинок, справа - сума частинок (продуктів реакції), що вийшли, а між ними ставиться стрілка.

Так, реакція радіаційного захоплення нейтрона ядром кадмію-113 записується так:

Ми, що число протонів і нейтронів праворуч і ліворуч залишається однаковим (баріонне число зберігається). Це ж відноситься до електричних зарядів, лептонним числам та іншим величинам (енергія, імпульс, момент імпульсу, …). У деяких реакціях, де бере участь слабка взаємодія, протони можуть перетворюватися на нейтрони і навпаки, проте їх сумарне число не змінюється.

Другий спосібзаписи, більш зручний для ядерної фізики, має вигляд A (a, bcd ...) B, де А- ядро ​​мішені, а- Бомбардуюча частка (у тому числі ядро), b, с, d, …- Частки, що випускаються (у тому числі ядра), У- Залишкове ядро. У дужках записуються легші продукти реакції, поза - важчі. Так, вищенаведена реакція захоплення нейтрону може бути записана у такому вигляді.

Явище мимовільного розпаду нестійких ядер нукліду, в результаті якого утворюються ядра одного нового або більше нукліда, що супроводжується іонізуючим випромінюванням, називається радіоактивністю. Радіоактивність було відкрито 1896 р. Бекке- релем. Радіоактивними є всі нукліди важких елементів кінця Періодичної системи, починаючи з полонію (86 Ро), і всі нукліди, штучно отримані в результаті ядерних реакцій. Стійкість радіонуклідів характеризує період їхнього напіврозпаду: час, протягом якого розпадається половина вихідних ядер. Він коливається від сотень мільйонів років до мізерних часток секунди.

Можна виділити такі основні види іонізуючого випромінювання.

1. Випромінювання позитивно заряджених ядер атомів гелію 4 2 Не, названих а-частинками. Вони мають низьку проникаючу здатність (поглинаються шаром повітря товщиною в кілька сантиметрів, листом паперу тощо), але виявляють дуже високу іонізуючу здатність. Як зовнішні джерела а-випромінювачі не є небезпечними, але дуже небезпечним є їх проникнення всередину організмів.

Такий тип радіоактивного випромінювання уражає ядер важких елементів. При цьому заряд вихідного ядра Zзменшується на 2 одиниці, а масове число А -на 4 одиниці, тобто. утворюється нуклід елемента, зміщеного в Періодичній системі на дві клітини вліво від вихідного радіоактивного елемента, з масовим числом, меншим на 4 одиниці ( правило а-радіоактивного усунення Соді - Фаянса)

Наприклад:

2. Випромінювання електронів е(), що несуть негативний заряд і названих (3-частинками. Вони мають більшу проникаючу здатність, ніж а-частки, але меншу іонізуючу здатність. При випромінюванні (3-частинки заряд ядра збільшується на одиницю, а масове число не змінюється, тобто . утворюється нуклід елемента, зміщеного в Періодичній системі одну клітину вправо від вихідного радіоактивного елемента з тим самим масовим числом ( правило (3-Радіоактивного зміщення Соді - Фаянса):

Наприклад:

(3-випромінювання характерне для радіонуклідів, що мають надмірну щодо стійких ядер кількість нейтронів.

Різновидом подібного випромінювання можна вважати потік античасток електрона - позитронів е + ( ^е), що мають ту ж масу, що і електрон, але позитивний заряд ((3 + -частки). При випромінюванні Р + -частки заряд ядра зменшується на одиницю, а масове число не змінюється:

Наприклад:

До подібних результатів призводить захоплення - захоплення ядром електрона з найближчого до нього квантового рівня.

р+-випромінювання та К-захоплення характерні для радіонуклідів, що мають відносно надмірну кількість протонів. (При р + - і p-розпаді відбувається також випромінювання особливих нейтральних частинок з мізерно малою масою - нейтрино про і антинейтрино про; їх зазвичай не включають до рівняння ядерних реакцій.)

  • 3. Жорстке короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, меншою, ніж у рентгенівського, яке супроводжує багато ядерних перетворень, що отримало назву у-випромінювання. Воно не відхиляється в електричних і магнітних полях і має високу проникаючу здатність. Заряд і масове число ядра при у-випромінюванні залишаються незмінними. Перетворення хімічного елемента на інший немає. у-випромінювання обумовлено переходом ядер радіонуклідів зі збудженого в менш збуджений або стаціонарний стан.
  • 4. Нейтронне випромінювання (J п), що часто виникає в результаті ядерних реакцій, особливо в результаті реакцій поділу атомних ядер. Через відсутність заряду і наявність значної маси воно має велику проникаючу здатність і можливість ініціювання ядерних реакцій (наведена радіоактивність).

Ядерні реакції -це перетворення ядер нуклідів. Радіоактивністьє окремим випадком ядерних реакцій спонтанного розкладання.

Інші види ядерних реакцій відбуваються при взаємодії ядер нуклідів з елементарними частинками, легшими ядрами, уквантами. Як правило, такій взаємодії перешкоджає значний потенційний бар'єр. Він долається бомбардуванням легшими частинками з високою кінетичною енергією мішені з речовини, що містить ядра більш важкого нукліду. Заряджені бомбардуючі частинки розганяються в прискорювачах, наприклад, синхрофазотронах. В андронних колайдерах (від to collide -стикатися) два потоки ядер важких нуклідів (андронів) розганяються у протилежних напрямках і стикаються у певній зоні. Електрично незаряджені нейтрони одержують високу енергію в ядерних реакторах (швидкі нейтрони).

Перша штучна ядерна реакція була здійснена Резерфордом у 1919 р. при бомбардуванні нукліду азоту-14 ядрами гелію-4 (а-частинками):

У ядерній фізиці частіше використовується скорочена форма запису: ^Na(a,/>) "О. Це приклад ядерної реакції обміну. ​​Приклади інших типів реакцій обміну:

На кшталт реакцій обміну отримано багато штучні елементи Періодичної системи, які у природі. І тут мета з відносно стійкого і доступного важкого нукліду бомбардується ядрами іншого нукліда. Наприклад, каліфорній був отриманий бомбардуванням самарію ядрами гелію: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борій 2 Jj 2 Bh - злиття ядер вісмуту 2 ^Вi і хрому 26 Сг.

Реакція, при якій бомбардувальна частка (наприклад, повільний нейтрон) залишається в ядрі з випромінюванням енергії збудження ядра у вигляді випромінювання, називається реакцією захоплення.Наприклад: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-

Можливий протилежний процес, званий ядерним фотоефектом, - поглинання у-кванта, в результаті якого випромінюється будь-яка ядерна частка (часто нейтрон):

  • 93-7,. I 92 7_ I 1
  • 40Zr+y -> 40Zr+ 0 п.

Радіонукліди урану 2 Ци, 2 Циі плутонія ^Рі поглинають нейтрони і діляться на два порівняних за масою «уламка» і два або три нейтрони, наприклад:

Такі реакції називаються реакціями поділу.нейтрони, що звільняються, за певних умов можуть ініціювати велику кількість нових актів поділу, що призведе до ланцюгової ядерної реакції. Сумарна маса осколків і нейтронів (Ет у) менше, ніж ядра ( т).Відповідно до рівняння Ейнштейна, це відповідає виділенню енергії:

При одному акті розподілу ядра виділяється близько 200 МеВ; при розподілі одного моль урану-235 (235 г) виділяється величезна енергія - близько 21010 кДж! (Для порівняння: при згорянні такої ж маси метану СН 4 виділяється менше 1104 кДж.) Нерегульована ланцюгова реакція призводить до ядерного вибуху. Регульована реакція є джерелом енергії, отримуваної на АЕС.

З'єднання двох легких ядер в одне важче називається реакцією термоядерного синтезу. При перебігу таких реакцій виділяється величезна енергія, оскільки маса вихідних ядер менша, ніж ядер продуктів такої реакції. Наприклад, реакції тритію (водню-3) і дейтерію (водню-2):

при отриманні одного ядра гелію-4 виділяється 17,6 МеВ, що еквівалентно 1,7 109 кДж на один моль (4,0 г) гелію. На одиницю маси це приблизно вчетверо більше, ніж при розподілі ядер урану-235. Однак для злиття ядер необхідне подолання сили їхнього кулонівського відштовхування. Це можна зробити, збільшивши температуру до сотень мільйонів градусів. Така реакція протікає у надрах Сонця. Вперше на Землі спонтанна реакція термоядерного синтезу була здійснена в так званій водневій бомбі, в якій необхідна температура досягалася за допомогою вибуху ядерної бомби, що служила запалом. У світі інтенсивно ведуться роботи із здійснення керованої реакції термоядерного синтезу.

– процес взаємодії ядра з елементарною частинкою або іншим ядром, у процесі якого відбувається зміна будови та властивостей ядра. Наприклад, випромінювання ядром елементарних частинок, його розподіл, випромінювання фотонів з високою енергією ( гамма-квантів). Одним із результатів ядерних реакцій є утворення ізотопів, які не існують у природних умовах на Землі.

Протікати ядерні реакції можуть за бомбардування атомів швидкими частками ( протони , нейтрони , іони , альфа-частки ).

Більше корисної інформації з різних тем – у нас у телерам.

Ядерні реакції

Одна з перших проведених людьми ядерних реакцій була здійснена Резерфордомв 1919 року з метою виявлення протону. Тоді ще не було відомо, що ядро ​​складається з них нуклонів (протониі нейтрони). При розщепленні багатьох елементів виявили частинку, що є ядром атома водню. На основі дослідів Резерфорд припустив, що ця частка входить до складу всіх ядер.

Ця реакція якраз і описує один із експериментів вченого. У досвіді вище газ ( азот) бомбардується альфа-частинками (ядра гелію), які, вибиваючи з ядер азоту протон , перетворюють його на ізотоп кисню. Запис цієї реакції виглядає так:

При вирішенні завдань на ядерні реакції слід пам'ятати, що при їх протіканні виконуються класичні закони збереження: заряду , моменту імпульсу , імпульсу і енергії .

Також існує закон збереження баріонного заряду . Це означає, що кількість нуклонів, що у реакції, залишається незмінним. Якщо ми подивимося на реакцію, то побачимо, що суми масових чисел (цифра зверху) та атомних чисі л (знизу) у правій та лівій частинах рівняння збігаються.


До речі! Для всіх наших читачів зараз діє знижка 10% на .

Питома енергія зв'язку ядер

Як відомо, усередині ядра на відстанях порядку його розміру діє одна з фундаментальних фізичних взаємодій – сильна взаємодія . Щоб його подолати і «розвалити» ядро, потрібна велика кількість енергії.

Енергія зв'язку ядра - Мінімальна енергія, необхідна, щоб розщепити ядро ​​атома на елементарні частинки, що його складають.

Маса будь-якого атомного ядра менша, ніж маса складових його частинок. Різниця мас ядра та його складових нуклонів називається дефектом мас:

Числа Z і N легко визначаються за допомогою таблиці Менделєєва, А почитати про те, як це робиться, можна . Енергія зв'язку обчислюється за такою формулою:

Енергія ядерних реакцій

Ядерні реакції супроводжуються енергетичними перетвореннями. Існує величина, яка називається енергетичним виходом реакції та визначається формулою

Дельта M - Дефект мас, але в даному випадку це різниця мас між початковими та кінцевими продуктами ядерної реакції.


Реакції можуть протікати як із виділенням енергії, так і з її поглинанням. Такі реакції називаються відповідно екзотермічними і ендотермічними .
Щоб протікала екзотермічна реакція , Необхідне виконання наступної умови: кінетична енергія початкових продуктів повинна бути більшою за кінетичну енергію продуктів, що утворилися в ході реакції.

Ендотермічна реакціяможлива у разі, коли питома енергія зв'язкунуклонів у вихідних продуктах менше питомої енергії зв'язку ядер кінцевих продуктів.

Приклади розв'язання задач з ядерної реакції

А тепер пара практичних прикладів із рішенням:



Навіть якщо Вам трапилося завдання із зірочкою, варто пам'ятати – нерозв'язуваних завдань не існує. Студентський сервіс допоможе виконати будь-яке завдання.