نظرية التفاعلات النووية. التفاعلات النووية وأنواعها الرئيسية

التعريف 1

التفاعل النوويبمعنى واسع ، يطلقون على العملية التي تحدث نتيجة تفاعل العديد من النوى الذرية المعقدة أو الجسيمات الأولية. تسمى التفاعلات النووية أيضًا مثل هذه التفاعلات التي توجد فيها نواة واحدة على الأقل بين الجسيمات الأولية ، وتنضم إلى نواة أخرى أو جسيم أولي ، ونتيجة لذلك يحدث تفاعل نووي ويتم تكوين جسيمات جديدة.

كقاعدة عامة ، تحدث التفاعلات النووية تحت تأثير القوى النووية. ومع ذلك ، فإن التفاعل النووي للاضمحلال النووي تحت تأثير $ \ gamma $ - الكميات عالية الطاقة أو الإلكترونات السريعة يحدث تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية ، وليس القوى النووية ، وذلك لأن القوى النووية لا تعمل على الفوتونات والإلكترونات. تشمل التفاعلات النووية العمليات التي تحدث عندما تصطدم النيوترينوات بجزيئات أخرى ، لكنها تستمر بتفاعل ضعيف.

يمكن أن تحدث التفاعلات النووية في ظروف طبيعية (داخل النجوم ، في الأشعة الكونية). تتم دراسة التفاعلات النووية في المختبرات في المنشآت التجريبية ، حيث يتم نقل الطاقة إلى جزيئات مشحونة باستخدام المسرعات. في هذه الحالة ، تكون الجسيمات الأثقل في حالة راحة وتسمى الهدف الجسيمات. يتم اصطدامها بجزيئات أخف ، والتي هي جزء من الشعاع المتسارع. في مسرعات الشعاع المتصادمة ، ليس هناك فائدة من التقسيم إلى أهداف وأشعة.

يجب أن تكون طاقة جسيم الحزمة موجبة الشحنة بترتيب أو أكبر من حاجز كولوم المحتمل للنواة. في عام 1932 دولارًا أمريكيًا ، قام كل من J. Cockcroft و E. Walton لأول مرة بتنفيذ الانشطار الاصطناعي لنواة الليثيوم عن طريق قصفها بالبروتونات التي كانت طاقتها أقل من ارتفاع حاجز كولوم. حدث تغلغل البروتون في نواة الليثيوم عن طريق حفر نفق عبر حاجز كولوم المحتمل. بالنسبة للجسيمات سالبة الشحنة والمحايدة ، لا يوجد حاجز كولوم المحتمل ، ويمكن أن تحدث التفاعلات النووية حتى في الطاقات الحرارية للجسيمات التي تحدث.

السجل الأكثر شيوعًا ومرئيًا للتفاعلات النووية مأخوذ من الكيمياء. على اليسار ، مجموع الجسيمات قبل كتابة التفاعل ، وعلى اليمين مجموع النواتج النهائية للتفاعل:

يصف التفاعل النووي الذي يحدث عندما يتم قصف نظير الليثيوم $ () ^ 7_3 (Li) $ بالبروتونات ، مما ينتج عنه نيوترون ونظير بريليوم $ () ^ 7_4 (Be) $.

غالبًا ما تكتب التفاعلات النووية بصيغة رمزية: $ A \ left (a، bcd \ dots \ right) B $ ، حيث $ A $ هو النواة المستهدفة ، $ a $ هو الجسيم القاذف ، $ bcd \ dots و \ B $ هي - الجسيمات والنواة ، على التوالي ، والتي تتشكل نتيجة التفاعل. يمكن إعادة كتابة التفاعل أعلاه كـ $ () ^ 7_3 (Li) (p، n) () ^ 7_4 (Be) $. في بعض الأحيان يتم استخدام الترميز I go $ (p، n) $ ، مما يعني إخراج نيوترون من بعض النواة تحت تأثير البروتون.

الوصف الكمي للتفاعلات

الوصف الكمي للتفاعلات النووية من وجهة نظر ميكانيكا الكم ممكن فقط بطريقة إحصائية ، أي يمكننا التحدث عن احتمال معين للعمليات المختلفة التي تميز التفاعل النووي. وهكذا ، فإن رد الفعل $ a + A \ على b + B $ ، في الحالتين الأولية والنهائية التي يوجد لكل منهما جسيمان ، بهذا المعنى يتميز تمامًا بالمقطع العرضي للتشتت الفعال التفاضلي $ d \ sigma / d \ Omega $ داخل النواة الصلبة $ d \ Omega (\ rm =) (\ sin \ theta \) \ theta d \ varphi $ ، حيث $ \ theta $ و $ \ varphi $ هما الزاويتان القطبية والسمتية لانبعاث جسيم واحد ، بينما الزاوية $ \ theta $ محسوبة من بداية حركة الجسيم القصف. يُطلق على اعتماد المقطع العرضي التفاضلي على الزاويتين $ \ theta $ و $ \ varphi $ التوزيع الزاوي للجسيمات التي تشكل التفاعل. المقطع العرضي الكلي أو المتكامل ، الذي يميز شدة التفاعل ، هو المقطع العرضي الفعال التفاضلي المتكامل على جميع قيم الزوايا $ \ theta $ و $ \ varphi $:

يمكن تفسير المقطع العرضي الفعال على أنه منطقة يتسبب فيها الجسيم الساقط في تفاعل نووي معين. يتم قياس المقطع العرضي الفعال للتفاعل النووي في الحظائر $ 1 \ b = (10) ^ (- 28) \ m ^ 2 $.

تتميز التفاعلات النووية بمردود التفاعل. ناتج تفاعل نووي $ W $ هو جزء جسيمات الحزمة التي خضعت لتفاعل نووي مع الجسيمات المستهدفة. إذا كانت $ S $ هي مساحة المقطع العرضي للحزمة ، و $ I $ هي كثافة تدفق الحزمة ، فإن $ N = IS $ تضرب نفس المنطقة المستهدفة كل ثانية. $ \ مثلث N = IS \ sigma n $ تتفاعل الجسيمات منها في ثانية واحدة ، حيث $ \ sigma $ هو المقطع العرضي الفعال لتفاعل جسيم الشعاع ، و $ n $ هو تركيز النوى عند الهدف. ثم:

التصنيفات المختلفة للتفاعلات النووية

يمكن تصنيف التفاعلات النووية حسب الخصائص التالية:

• طبيعة الجسيمات التي تشارك في التفاعل ؛
• للعدد الكتلي من النوى التي تشارك في التفاعل ؛
• وراء تأثير الطاقة (الحراري) ؛
• وراء طبيعة التحولات النووية.

وراء قيمة الطاقة $ E $ للجسيمات التي تسبب التفاعلات ، تتميز هذه التفاعلات:

• عند الطاقات المنخفضة ($ E \ le 1 \ keV $) ؛
• عند الطاقات المنخفضة ($ 1 \ keV \ le E \ le 1 \ MeV $) ؛
• عند الطاقات المتوسطة ($ 1 \ MeV \ le E \ le 100 \ MeV $) ؛
• عند الطاقات الكبيرة (100 دولار \ MeV \ le E \ le 1 \ GeV) $؛
• عند الطاقات العالية ($ 1 \ GeV \ le E \ le 500 \ GeV $) ؛
• عند الطاقات فائقة الارتفاع ($ E> 500 \ GeV $).

اعتمادًا على طاقة الجسيم $ a $ للنواة نفسها ، تحدث تحولات مختلفة في التفاعلات النووية. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك رد فعل قصف نظير الفلور بالنيوترونات ذات الطاقات المختلفة:

الصورة 1.

اعتمادًا على طبيعة الجسيمات التي تشارك في التفاعلات النووية ، يتم تقسيمها إلى الأنواع التالية:

• تحت تأثير النيوترونات.
• تحت تأثير الفوتونات
• تحت تأثير الجسيمات المشحونة.

وفقًا للعدد الكتلي للنواة ، تنقسم التفاعلات النووية إلى الأنواع التالية:

• على النوى الخفيفة ($ A
• على النوى المتوسطة (50 دولارًا
• على نوى ضخمة ($ A> 100 $).

حسب طبيعة التحولات التي تحدث في النواة ، تنقسم التفاعلات إلى:

• التقاط الإشعاع
• إثارة كولوم
• الانشطار النووي؛
• تفاعل الانفجار
• التأثير الكهروضوئي النووي.

عند التفكير في التفاعلات النووية ، يتم استخدام القوانين التالية:

• قانون الحفاظ على الطاقة؛
• قانون الحفاظ على الزخم.
• قانون حفظ الشحنة الكهربائية ؛
• قانون حفظ شحنة الباريون ؛
• قانون حفظ شحن ليبتون.

ملاحظة 1

تجعل قوانين الحفظ من الممكن التنبؤ بأي من ردود الفعل الممكنة عقليًا يمكن تحقيقها وأيها لا يمكن أن يكون بسبب فشل واحد أو أكثر من قوانين الحفظ. في هذه العلاقة ، تلعب قوانين الحفظ دورًا مهمًا بشكل خاص في التفاعلات النووية.

التفاعل النووي يتميز بفاعلية الطاقة النووية $ Q $. إذا استمر التفاعل مع إطلاق الطاقة $ Q> 0 $ ، فإن التفاعل يسمى طارد للحرارة ؛ إذا استمر التفاعل مع امتصاص الحرارة $ Q

التفاعل النووي هو عملية تفاعل قوي لنواة الذرة مع جسيم أولي أو مع نواة أخرى ، مما يؤدي إلى تحول النواة. النوع الأكثر شيوعًا من التفاعل النووي هو تفاعل من النوع ، حيث
- جزيئات الضوء - نيوترون ، بروتون ، - الجسيمات -كمية.

ردود الفعل التي تسببها الجسيمات ليست سريعة جدا تستمر على مرحلتين. في المرحلة الأولى ، تلتقط الجزيئات التي تقترب من النواة بواسطتها ، وتشكل نواة وسيطة ، النواة المركبة. يتم إعادة توزيع الطاقة التي يدخلها الجسيم بين النيوكليونات ، وتكون النواة في حالة الإثارة. في المرحلة الثانية ، تصدر النواة جسيمًا . .

اذا كان
، إذن هذا ليس تفاعلًا نوويًا ، ولكنه عملية تشتت. اذا كان
- تشتت مرن ، إذا
- تشتت غير مرن.

تحدث التفاعلات التي تسببها النيوكليونات السريعة دون تكوين نواة وسيطة - وهي تفاعلات نووية مباشرة.

ردود الفعل مقسمة:

وفقًا لنوع الجسيمات المشاركة في التفاعلات النووية.

حسب طاقة الجسيمات المعنية (باردة ، ساخنة)

حسب نوع النوى المشاركة في التفاعل (خفيف ، متوسط ​​، ثقيل)

حسب طبيعة المنتجات التي تم الحصول عليها نتيجة التفاعل (الجسيمات الأولية ، البروتونات ، النيوترونات)

تفاعلات الانشطار النووي. في عام 1938 ، اكتشف هان وستراسمان أنه عندما يتم تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات ، تتشكل عناصر من منتصف الجدول الدوري. يتميز التفاعل بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة. بعد ذلك ، وجد أن النواة التي استولت على النيوترون يمكن تقسيمها بطرق مختلفة. نواتج الانشطار تسمى شظايا. الأكثر احتمالا هو الانقسام إلى شظايا ، ترتبط كتلتها على النحو التالي:

السيريوم - مستقر

الزركونيوم مستقر.

نواة اليورانيوم قابلة للانشطار فقط بالنيوترونات السريعة. في الطاقات المنخفضة ، يتم امتصاص النيوترونات ، وتدخل النواة في حالة الإثارة - وهذا هو الالتقاط الإشعاعي.

يمكن للنيوترونات التي يتم إنتاجها من انشطار اليورانيوم أن تسبب تفاعلًا آخر ، وهكذا. إنه تفاعل نووي متسلسل. عامل مضاعفة النيوترونات هو نسبة عدد النيوترونات في جيل معين إلى عدد النيوترونات في الجيل السابق. يستمر التفاعل المتسلسل
.

نظرًا للحجم المحدود لجسم الانشطار وقوة الاختراق العالية ، تغادر العديد من النيوترونات منطقة التفاعل قبل أن تلتقطها النواة. إذا كانت كتلة اليورانيوم الانشطاري أقل من قيمة حرجة معينة ، فإن معظم النيوترونات تطير إلى الخارج ولا يحدث التفاعل المتسلسل. إذا كانت الكتلة أكبر من الكتلة الحرجة ، فإن النيوترونات تتكاثر بسرعة ، ويكون التفاعل صفة الانفجار (يعتمد تأثير القنبلة الذرية على هذا). في المفاعلات ، يتم تنظيم الكتلة الحرجة عن طريق امتصاص النيوترونات الزائدة باستخدام قضبان الكادميوم والكربون.

اندماج النوى الخفيفة في نوى أثقل هو تفاعل اندماج. إذا حدث التفاعل في درجات حرارة عالية ، فهو تفاعل نووي حراري. يبدو أن التفاعل النووي الحراري هو أحد مصادر الطاقة للشمس والنجوم.

أنواع تفاعل الجسيمات الأولية.

يرتبط تطور فيزياء الجسيمات الأولية بدراسة الأشعة الكونية. هناك نوعان من الإشعاع الكوني: أولي ، يأتي من الفضاء ويتكون أساسًا من بروتونات عالية الطاقة ، وثانوي ، يتشكل نتيجة تفاعل الأشعة الكونية الأولية مع نوى الذرات في الغلاف الجوي للأرض. في الإشعاع الثانوي ، تتميز المكونات الصلبة واللينة.

هناك 4 أنواع من التفاعل:

القوة الشديدة أكبر 100 مرة من القوة الكهرومغناطيسية و 10 14 مرة أكبر من القوة الضعيفة. مدى القوي هو 10-15 م ، الضعيف - 10-19 م.

التفاعلات النووية- هذه هي العمليات التي تحدث عندما تتصادم النوى أو الجسيمات الأولية مع نوى أخرى ، ونتيجة لذلك تتغير الحالة الكمومية وتكوين النوى للنواة الأصلية ، وتظهر جسيمات جديدة بين نواتج التفاعل.

في هذه الحالة ، تكون التفاعلات الانشطارية ممكنة ، عندما تنقسم نواة ذرة واحدة نتيجة القصف (على سبيل المثال ، بالنيوترونات) إلى نواتين من ذرات مختلفة. أثناء تفاعلات الاندماج ، يتم تحويل النوى الخفيفة إلى نوى أثقل.

اكتشف باحثون آخرون تحولات تحت تأثير جسيمات ألفا في نوى الفلور والصوديوم والألمنيوم وما إلى ذلك ، مصحوبة بانبعاث البروتونات. نوى العناصر الثقيلة لم تخضع للتحولات. من الواضح أن شحنتها الكهربائية الكبيرة لم تسمح لجسيم ألفا بالاقتراب من النواة.

تفاعل نووي على البروتونات السريعة.

من أجل حدوث تفاعل نووي ، من الضروري أن تقترب الجسيمات من النواة ، وهو أمر ممكن للجسيمات ذات الطاقة العالية جدًا (خاصة للجسيمات الموجبة الشحنة التي تتنافر من النواة). يتم نقل هذه الطاقة (حتى 10 5 ميغا إلكترون فولت) في مسرعات الجسيمات المشحونة إلى البروتونات والديوترونات والجسيمات الأخرى. هذه الطريقة أكثر فاعلية من استخدام نوى الهيليوم المنبعثة من عنصر مشع (تبلغ طاقته حوالي 9 ميغا إلكترون فولت).

تم إجراء أول تفاعل نووي على البروتونات السريعة في عام 1932. كان من الممكن تقسيم الليثيوم إلى جسيمين ألفا:

التفاعلات النووية على النيوترونات.

كان اكتشاف النيوترونات نقطة تحول في دراسة التفاعلات النووية. تخترق النيوترونات الخالية من الشحنات بحرية نوى الذرة وتسبب تغيراتها ، على سبيل المثال:

اكتشف الفيزيائي الإيطالي العظيم إنريكو فيرمي أن النيوترونات البطيئة (حوالي 10 4 إلكترون فولت) أكثر كفاءة في تفاعلات التحول النووي من العدلات السريعة (حوالي 10 5 إلكترون فولت). لذلك ، تتباطأ النيوترونات السريعة في الماء العادي الذي يحتوي على عدد كبير من نوى الهيدروجين - البروتونات. يتم تفسير تأثير التباطؤ من خلال حقيقة أنه عندما تصطدم كرات من نفس الكتلة ، يحدث نقل الطاقة الأكثر كفاءة.

قوانين حفظ الشحنة وعدد الكتلة والطاقة.

أظهرت العديد من التجارب على أنواع مختلفة من التفاعلات النووية أنه في جميع الحالات ، دون استثناء ، يتم الحفاظ على الشحنة الكهربائية الكلية للجسيمات المشاركة في التفاعل. بمعنى آخر ، الشحنة الكهربائية الكلية للجسيمات التي تدخل في تفاعل نووي تساوي إجمالي الشحنة الكهربائية لنواتج التفاعل (كما ينبغي توقعه وفقًا لقانون حفظ الشحن للأنظمة المغلقة). بالإضافة إلى ذلك ، في التفاعلات النووية من النوع المعتاد (بدون تكوين الجسيمات المضادة) ، لوحظ الحفاظ على عدد الكتلة النووية (أي العدد الإجمالي للنكليونات).

تم تأكيد ما سبق من خلال جميع أنواع التفاعلات المذكورة أعلاه (مجاميع المعاملات المقابلة في النواة على الجانبين الأيسر والأيمن من معادلات التفاعل متساوية) ، انظر الجدول.

ينطبق كلا قانونا الحفظ أيضًا على التحولات النووية مثل التحلل الإشعاعي.

وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، فإن التغيير في الطاقة الحركية أثناء التفاعل النووي يساوي التغير في الطاقة المتبقية للنواة والجسيمات المشاركة في التفاعل.

مردود الطاقة للتفاعل هو الفرق بين طاقات النوى المتبقية والجزيئات قبل وبعد التفاعل. وفقًا لما قيل سابقًا ، فإن مردود الطاقة للتفاعل النووي يساوي أيضًا التغير في الطاقة الحركية للجسيمات المشاركة في التفاعل.

إذا كانت الطاقة الحركية للنواة والجسيمات بعد التفاعل أكبر مما كانت عليه قبل التفاعل ، فإنهم يتحدثون عن إطلاق الطاقة ، وإلا - عن امتصاصها. تحدث الحالة الأخيرة عندما يتم قصف النيتروجين بجزيئات ألفا ، يتم تحويل جزء من الطاقة إلى طاقة داخلية للنواة المشكلة حديثًا. أثناء التفاعل النووي ، تكون الطاقة الحركية لنواة الهليوم الناتجة أكبر بمقدار 17.3 ميغا إلكترون فولت من الطاقة الحركية للبروتون التي دخلت في التفاعل.

لفترة طويلة ، لم يترك حلم تحويل العناصر الإنسان - بتعبير أدق ، تحول المعادن المختلفة إلى معدن واحد. بعد إدراك عدم جدوى هذه المحاولات ، تم تحديد وجهة النظر حول حرمة العناصر الكيميائية. وفقط اكتشاف بنية النواة في بداية القرن العشرين أظهر أن تحول العناصر إلى بعضها البعض ممكن - ولكن ليس بالطرق الكيميائية ، أي من خلال التأثير على غلاف الإلكترون الخارجي للذرات ، ولكن بالتدخل مع بنية النواة الذرية. ترتبط ظواهر من هذا النوع (وبعضها الآخر) بالتفاعلات النووية ، وسيتم مناقشة أمثلة عليها أدناه. لكن أولاً ، من الضروري تذكر بعض المفاهيم الأساسية التي ستكون مطلوبة في سياق هذه المناقشة.

المفهوم العام للتفاعلات النووية

هناك ظواهر تتفاعل فيها نواة ذرة عنصر أو آخر مع نواة أخرى أو بعض الجسيمات الأولية ، أي أنها تتبادل الطاقة والزخم معها. تسمى هذه العمليات التفاعلات النووية. قد تكون نتيجتهم تغييرًا في تكوين النواة أو تكوين نوى جديدة مع انبعاث جزيئات معينة. في هذه الحالة ، خيارات مثل:

• تحول عنصر كيميائي إلى آخر ؛
• الانصهار ، أي اندماج النوى ، حيث تتشكل نواة عنصر أثقل.

تسمى المرحلة الأولية من التفاعل ، التي يتم تحديدها حسب نوع وحالة الجسيمات الداخلة إليه ، بقناة المدخل. قنوات الخروج هي المسارات المحتملة التي سيتخذها رد الفعل.

قواعد تسجيل التفاعلات النووية

توضح الأمثلة أدناه الطرق التي من المعتاد بها وصف التفاعلات التي تتضمن النوى والجسيمات الأولية.

الطريقة الأولى هي نفسها المستخدمة في الكيمياء: يتم وضع الجسيمات الأولية على الجانب الأيسر ، ونواتج التفاعل على اليمين. على سبيل المثال ، تفاعل نواة البريليوم -9 مع جسيم ألفا الحادث (ما يسمى تفاعل اكتشاف النيوترون) مكتوب على النحو التالي:

9 4 كن + 4 2 هو → 12 6 ج + 1 0 ن.

تشير المؤشرات العلوية إلى عدد النكليونات ، أي عدد النوى ، والمؤشرات السفلية ، وعدد البروتونات ، أي الأعداد الذرية. يجب أن يتطابق مجموع كلا الجانبين الأيمن والأيسر.

طريقة مختصرة لكتابة معادلات التفاعلات النووية ، غالبًا ما تستخدم في الفيزياء ، تبدو كالتالي:

9 4 كن (α، n) 12 6 ج.

الشكل العام لمثل هذا الإدخال هو: أ (أ ، ب 1 ب 2 ...) ب. هنا أ هي النواة المستهدفة ؛ أ - الجسيمات أو النواة الساقطة ؛ ب 1 ، ب 2 وما إلى ذلك - منتجات تفاعل الضوء ؛ ب هو جوهر النهائي.

طاقة التفاعلات النووية

في التحولات النووية ، يتم استيفاء قانون الحفاظ على الطاقة (إلى جانب قوانين الحفظ الأخرى). في هذه الحالة ، يمكن أن تختلف الطاقة الحركية للجسيمات في قنوات الإدخال والإخراج للتفاعل بسبب التغيير في الطاقة المتبقية. نظرًا لأن الأخير يعادل كتلة الجسيمات ، فإن الكتل قبل التفاعل وبعده ستكون مختلفة أيضًا. لكن الطاقة الكلية للنظام محفوظة دائمًا.

يُطلق على الاختلاف في الطاقة الباقية للجسيمات التي تدخل في التفاعل وتركه مردود الطاقة ويتم التعبير عنه في تغيير في طاقتها الحركية.

في العمليات التي تنطوي على نوى ، هناك ثلاثة أنواع من التفاعلات الأساسية متضمنة - الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية. بفضل هذا الأخير ، تتمتع النواة بميزة مهمة مثل طاقة الارتباط العالية بين الجسيمات المكونة لها. إنه أعلى بكثير ، على سبيل المثال ، من بين النواة والإلكترونات الذرية أو بين الذرات في الجزيئات. يتضح هذا من خلال خلل ملحوظ في الكتلة - الفرق بين مجموع كتل النيوكليونات وكتلة النواة ، والتي تكون دائمًا أقل بقيمة تتناسب مع طاقة الربط: Δm = E St / c 2. يتم حساب عيب الكتلة باستخدام معادلة بسيطة Δm = Zm p + Am n - M i ، حيث Z هي الشحنة النووية ، A هي رقم الكتلة ، m p هي كتلة البروتون (1.00728 a.m.u.) ، m n هي كتلة البروتون. النيوترون (1.00866 amu) ، M i هي كتلة النواة.

عند وصف التفاعلات النووية ، يتم استخدام مفهوم طاقة الربط المحددة (أي لكل نواة: Δmc 2 / A).

الطاقة الملزمة والاستقرار النووي

الأكثر ثباتًا ، أي أعلى طاقة ربط محددة ، هي النوى ذات العدد الكتلي من 50 إلى 90 ، على سبيل المثال ، الحديد. تعود "ذروة الاستقرار" هذه إلى الطبيعة غير المركزية للقوى النووية. نظرًا لأن كل نواة تتفاعل فقط مع جيرانها ، فهي أضعف من ارتباطها بسطح النواة من الداخل. كلما قل عدد النيوكليونات المتفاعلة في النواة ، انخفضت طاقة الارتباط ، وبالتالي تكون نوى الضوء أقل استقرارًا. في المقابل ، مع زيادة عدد الجسيمات في النواة ، تزداد قوى التنافر كولوم بين البروتونات ، بحيث تتناقص أيضًا طاقة الارتباط للنواة الثقيلة.

وبالتالي ، بالنسبة إلى النوى الخفيفة ، فإن الأكثر احتمالًا ، أي المواتية بقوة ، هي تفاعلات الاندماج مع تكوين نواة مستقرة متوسطة الكتلة ، بينما بالنسبة للنواة الثقيلة ، على العكس من ذلك ، عمليات الانحلال والانشطار (غالبًا متعددة المراحل) ، نتيجة لتشكيل منتجات أكثر استقرارًا أيضًا. تتميز هذه التفاعلات بإنتاجية موجبة وغالبًا ما تكون عالية جدًا ، والتي ترافق زيادة في طاقة الربط.

فيما يلي نأخذ في الاعتبار بعض الأمثلة على التفاعلات النووية.

ردود فعل الاضمحلال

يمكن أن تخضع النوى لتغييرات تلقائية في التركيب والهيكل ، حيث تنبعث خلالها بعض الجسيمات الأولية أو أجزاء من النواة ، مثل جسيمات ألفا أو التجمعات الثقيلة.

لذلك ، أثناء تحلل ألفا ، وهو أمر ممكن بسبب النفق الكمومي ، يتغلب جسيم ألفا على الحاجز المحتمل للقوى النووية ويترك النواة الأصلية ، والتي ، وفقًا لذلك ، تقلل العدد الذري بمقدار 2 ، وعدد الكتلة بمقدار 4. على سبيل المثال ، نواة الراديوم 226 ، التي تنبعث منها جسيمات ألفا ، تتحول إلى رادون 222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

تبلغ طاقة اضمحلال نواة الراديوم 226 حوالي 4.87 ميغا إلكترون فولت.

يحدث تسوس بيتا ، المشروط ، دون تغيير عدد النكليونات (عدد الكتلة) ، ولكن مع زيادة أو نقصان في الشحنة النووية بمقدار 1 ، عند انبعاث مضاد نيوترينو أو نيوترينو ، بالإضافة إلى إلكترون أو بوزيترون. مثال على تفاعل نووي من هذا النوع هو تحلل بيتا زائد للفلور 18. هنا ، يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون ، وينبعث بوزيترون ونيوترينو ، ويتحول الفلور إلى أكسجين 18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + v e.

تبلغ طاقة اضمحلال بيتا للفلور 18 حوالي 0.63 ميغا إلكترون فولت.

الانشطار النووي

تمتلك تفاعلات الانشطار مردود طاقة أكبر بكثير. هذا هو اسم العملية التي تتفكك فيها النواة تلقائيًا أو قسريًا إلى شظايا قريبة من الكتلة (عادة اثنين ، ونادرًا ثلاثة) وبعض المنتجات الأخف وزناً. يتم تقسيم النواة إذا تجاوزت طاقتها الكامنة القيمة الأولية بمقدار معين ، يسمى حاجز الانشطار. ومع ذلك ، فإن احتمال حدوث عملية تلقائية ، حتى بالنسبة للأنوية الثقيلة ، منخفض.

يزداد بشكل كبير عندما تتلقى النواة الطاقة المقابلة من الخارج (عندما يدخلها الجسيم). يخترق النيوترون النواة بسهولة ، لأنه لا يخضع لقوى التنافر الكهروستاتيكي. تؤدي ضربة النيوترون إلى زيادة الطاقة الداخلية للنواة ، وتتشوه بتكوين رقبة وانشطار. تتطاير الشظايا تحت تأثير قوات كولوم. يُظهر مثال على تفاعل الانشطار النووي أن اليورانيوم 235 يمتص نيوترونًا:

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

يعد الانشطار إلى الباريوم 144 والكريبتون 89 أحد خيارات الانشطار المحتملة لليورانيوم 235. يمكن كتابة هذا التفاعل على النحو التالي 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U * → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n ، حيث 236 92 U * هي نواة مركبة شديدة الإثارة ذات طاقة محتملة عالية. يتم إطلاق فائضه ، إلى جانب الاختلاف في طاقات الربط للنواة الأم والابنة ، بشكل أساسي (حوالي 80 ٪) في شكل الطاقة الحركية لنواتج التفاعل ، وكذلك جزئيًا في شكل الطاقة الكامنة للانشطار فتات. تبلغ الطاقة الانشطارية الكلية لنواة ضخمة حوالي 200 ميجا فولت. من حيث 1 جرام من اليورانيوم -235 (بافتراض أن جميع النوى قد تفاعلت) ، فإن هذا يساوي 8.2 ∙ 10 4 ميغا جول.

سلسلة من ردود الفعل

يتميز انشطار اليورانيوم -235 ، وكذلك نوى مثل اليورانيوم -233 والبلوتونيوم -239 ، بميزة مهمة واحدة - وجود النيوترونات الحرة بين نواتج التفاعل. هذه الجسيمات ، التي تخترق نوى أخرى ، بدورها ، قادرة على بدء انشطارها ، مرة أخرى مع انبعاث نيوترونات جديدة ، وهكذا. تسمى هذه العملية بالتفاعل النووي المتسلسل.

يعتمد مسار التفاعل المتسلسل على كيفية ارتباط عدد النيوترونات المنبعثة من الجيل التالي بعددها في الجيل السابق. هذه النسبة k = N i / N i -1 (هنا N هي عدد الجسيمات ، i هو الرقم التسلسلي للجيل) تسمى عامل مضاعفة النيوترونات. شوكة< 1 цепная реакция не идет. При k >1 عدد النيوترونات ، وبالتالي عدد النوى الانشطارية ، يزداد مثل الانهيار الجليدي. مثال على تفاعل نووي متسلسل من هذا النوع هو انفجار قنبلة ذرية. بالنسبة إلى k = 1 ، تكون العملية ثابتة ، كما يتضح من التفاعل الذي يتم التحكم فيه بواسطة قضبان ماصة للنيوترونات في المفاعلات النووية.

الاندماج النووي

يحدث أكبر إطلاق للطاقة (لكل نواة واحدة) أثناء اندماج النوى الخفيفة - ما يسمى تفاعلات الاندماج. للدخول في تفاعل ، يجب أن تتغلب النوى الموجبة الشحنة على حاجز كولوم وأن تقترب من مسافة تفاعل قوي لا يتجاوز حجم النواة نفسها. لذلك ، يجب أن يكون لديهم طاقة حركية عالية للغاية ، مما يعني درجات حرارة عالية (عشرات الملايين من الدرجات وما فوق). لهذا السبب ، تسمى تفاعلات الاندماج أيضًا تفاعلات الاندماج.

مثال على تفاعل الاندماج النووي هو تكوين الهليوم -4 مع انبعاث نيوترون أثناء اندماج نوى الديوتيريوم والتريتيوم:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

هنا ، يتم إطلاق طاقة مقدارها 17.6 ميغا إلكترون فولت ، والتي ، لكل نواة ، أكثر من 3 أضعاف طاقة انشطار اليورانيوم. من بين هؤلاء ، يقع 14.1 ميغا إلكترون فولت على الطاقة الحركية للنيوترون و 3.5 ميغا إلكترون فولت - نواة الهليوم -4. يتم إنشاء هذه القيمة المهمة بسبب الاختلاف الهائل في طاقات الربط لنواة الديوتيريوم (2.2246 MeV) والتريتيوم (8.4819 MeV) من ناحية ، والهيليوم 4 (28.2956 MeV) من ناحية أخرى.

في تفاعلات الانشطار النووي ، يتم إطلاق طاقة التنافر الكهربائي ، بينما في الاندماج ، يتم إطلاق الطاقة بسبب التفاعل القوي - الأقوى في الطبيعة. هذا يحدد مثل هذا العائد الكبير للطاقة لهذا النوع من التفاعلات النووية.

أمثلة على حل المشكلات

ضع في اعتبارك تفاعل الانشطار 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. ما هو انتاجها من الطاقة؟ بشكل عام ، تكون صيغة حسابها ، والتي تعكس الفرق بين طاقات الجسيمات المتبقية قبل التفاعل وبعده ، على النحو التالي:

س \ u003d Δmc 2 \ u003d (م أ + م ب - م س - م ص + ...) ∙ ص 2.

بدلاً من الضرب في مربع سرعة الضوء ، يمكنك ضرب فرق الكتلة بمعامل 931.5 للحصول على قيمة الطاقة بالميجا إلكترون فولت. باستبدال القيم المقابلة للكتل الذرية في الصيغة ، نحصل على:

س = (235.04393 + 1.00866 - 139.92164 - 93.91536 - 2 1.00866) ∙ 931.5 ≈ 184.7 إلكترون فولت.

مثال آخر هو تفاعل الاندماج. هذه إحدى مراحل دورة البروتون-البروتون - المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية.

3 2 هو + 3 2 هو → 4 2 هو + 2 1 1 ح + γ.

دعنا نستخدم نفس الصيغة:

ق = (2 ∙ 3.01603 - 4.00260 - 2 1.00728) ∙ 931.5 ≈ 13.9 إلكترون فولت.

الحصة الرئيسية من هذه الطاقة - 12.8 ميغا إلكترون فولت - تقع في هذه الحالة على فوتون جاما.

لقد نظرنا فقط في أبسط الأمثلة على التفاعلات النووية. إن فيزياء هذه العمليات معقدة للغاية ، فهي متنوعة للغاية. تعتبر دراسة وتطبيق التفاعلات النووية ذات أهمية كبيرة في المجال العملي (هندسة الطاقة) وفي العلوم الأساسية.

لنتذكر بإيجاز ما نعرفه بالفعل عن الذرة:

• تتميز نواة الذرة بكثافة عالية للغاية ذات حجم صغير جدًا (بالنسبة للذرة نفسها) ؛
• تحتوي النواة على البروتونات والنيوترونات ؛
• الإلكترونات خارج النواة عند مستويات الطاقة ؛
• البروتونات لها شحنة موجبة ، والإلكترونات لها شحنة سالبة ، والنيوترونات ليس لها شحنة. على العموم ، الذرة محايدة لأن لديه عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ؛
• يمكن أن يختلف عدد النيوترونات في كل ذرة من نفس العنصر. الذرات التي لها نفس الشحنة النووية ولكن تسمى عددًا مختلفًا من النيوترونات النظائر.

في الجدول الدوري ، يُشار إلى العنصر الكيميائي "الأكسجين" على النحو التالي:

• 16 - عدد الكتلة (مجموع البروتونات والنيوترونات) ؛
• 8 - الرقم التسلسلي (الذري) للعنصر (عدد البروتونات في نواة الذرة) ؛
• ا- تعيين العنصر.

1. النشاط الإشعاعي

يسمى التحول التلقائي لنظير غير مستقر لعنصر كيميائي إلى نظير لعنصر آخر ، والذي يحدث فيه انبعاث الجسيمات الأولية ، النشاط الإشعاعي.

إذا عرفنا أحد الجسيمات الناتجة عن الاضمحلال ، فيمكننا حساب جسيم آخر ، لأنه أثناء التفاعل النووي ، يتم ملاحظة ما يسمى بتوازن الكتلة للتفاعل النووي.

يمكن التعبير عن جوهر التفاعل النووي بشكل تخطيطي على النحو التالي:

الكواشف التي تتفاعل → المنتجات الناتجة عن التفاعل

يعتبر التفاعل النووي متوازن، إذا كان مجموع الأعداد الذرية للعناصر على الجانب الأيسر من التعبير يساوي مجموع الأعداد الذرية للعناصر التي تم الحصول عليها بعد التفاعل. يجب مراعاة نفس الحالة بالنسبة لمجموع الأعداد الكتلية. لنفترض حدوث تفاعل نووي: يتم قصف نظير الكلور (الكلور -35) بواسطة نيوترون لتكوين نظير الهيدروجين (هيدروجين -1):

35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 X + 1 1 H

ما العنصر X الذي سيكون على الجانب الأيمن من معادلة التفاعل؟

بناءً على توازن الكتلة لتفاعل نووي ، سيكون العدد الذري للعنصر المجهول 16. في الجدول الدوري ، هذا الرقم هو عنصر الكبريت (S). وبالتالي ، يمكننا القول أنه نتيجة تفاعلنا النووي ، عندما يتم قصف نظير الكلور (الكلور -35) بالنيوترون ، فإن نظير الهيدروجين (الهيدروجين -1) ونظير الكبريت (الكبريت -35) تم الحصول عليها. هذه العملية تسمى أيضا التحول النووي.

35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H

بمساعدة هذه التحولات النووية ، تعلم العلماء كيفية الحصول على نظائر اصطناعية غير موجودة في الطبيعة.

2. لماذا تتحلل النظائر؟

تحتوي نواة الذرة على بروتونات (جزيئات موجبة الشحنة) تتركز في مساحة صغيرة جدًا. قلنا سابقًا أنه يوجد في نواة الذرة بعض القوى القابضة (ما يسمى "الصمغ النووي") ، والتي لا تسمح للنيوترونات المماثلة المشحونة بتكسير نواة الذرة. لكن في بعض الأحيان تتجاوز طاقة تنافر الجسيمات طاقة اللصق ، وتنقسم النواة إلى أجزاء - يحدث الاضمحلال الإشعاعي.

لقد وجد العلماء أن جميع العناصر الكيميائية ، التي يوجد في نواتها أكثر من 84 بروتونًا (يقع بولونيوم - بو تحت هذا الرقم التسلسلي في الجدول) ، غير مستقرة وتخضع من وقت لآخر للاضمحلال الإشعاعي. ومع ذلك ، هناك نظائر تحتوي على أقل من 84 بروتونًا في النواة ، لكنها أيضًا مشعة. الحقيقة هي أنه يمكن الحكم على استقرار النظير من خلال نسبة عدد البروتونات والنيوترونات في الذرة. سيكون النظير غير مستقر إذا كان الفرق بين عدد البروتونات والنيوترونات كبيرًا (العديد من البروتونات وقليل من النيوترونات ، أو القليل من البروتونات والعديد من النيوترونات). سيكون نظير عنصر ما مستقرًا إذا كان عدد النيوترونات والبروتونات في ذرته متساويًا تقريبًا.

لذلك ، فإن النظائر غير المستقرة ، التي تخضع للاضمحلال الإشعاعي ، تتحول إلى عناصر أخرى. ستستمر عملية التحول حتى يتم تكوين نظير مستقر.

3. نصف العمر

متى يحدث التحلل الإشعاعي لذرة عنصر غير مستقر؟ يمكن أن يحدث في أي لحظة: في بضع لحظات ، أو في غضون 100 عام. ولكن ، إذا كانت عينة الذرات لعنصر معين كبيرة بما يكفي ، فيمكن استنتاج نمط معين.

يوضح الجدول أدناه بيانات نصف العمر لبعض النظائر المشعة

يجب معرفة نصف العمر من أجل تحديد الوقت الذي يصبح فيه العنصر المشع آمنًا - سيحدث هذا عندما ينخفض ​​نشاطه الإشعاعي كثيرًا بحيث لا يمكن اكتشافه ، أي بعد 10 فترات نصف عمر.

4. تفاعل نووي متسلسل

في الثلاثينيات من القرن الماضي ، بدأ العلماء في محاولة السيطرة على التفاعلات النووية. نتيجة القصف (عادة بواسطة نيوترون) ، تنقسم نواة ذرة عنصر ثقيل إلى نواتين أخف وزنًا. فمثلا:

235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n

تسمى هذه العملية انقسام (انشطار) النواة. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة. حيث أنها لا تأتي من؟ إذا تم قياس كتل الجسيمات بدقة شديدة قبل التفاعل وبعده ، فسوف يتضح أنه نتيجة لتفاعل نووي ، فقد اختفى جزء من الكتلة دون أن يترك أثرا. يشار إلى فقدان الكتلة هذا على أنه عيب في الكتلة. المادة المختفية تتحول إلى طاقة.

جاء العظيم ألبرت أينشتاين بصيغته الشهيرة: E = mc2، أين

ه- كمية الطاقة؛
م- عيب في الكتلة (اختفاء كتلة المادة) ؛
مع- سرعة الضوء = 300.000 كم / ث

نظرًا لأن سرعة الضوء هي كمية كبيرة جدًا في حد ذاتها ، وفي الصيغة تكون مربعة ، فإن "اختفاء الكتلة" الصغير جدًا يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة نسبيًا من الطاقة.

من المعادلة أعلاه لتقسيم اليورانيوم 235 ، يمكن ملاحظة أنه في عملية الانشطار النووي ، يتم استهلاك إلكترون واحد ، ويتم الحصول على ثلاثة في وقت واحد. في المقابل ، هذه الإلكترونات الثلاثة التي تم الحصول عليها حديثًا ، بعد أن قابلت ثلاث نوى من اليورانيوم -235 في طريقها ، ستنتج انقسامًا آخر ، ونتيجة لذلك سيتم الحصول على 9 نيوترونات ، إلخ. تفاعل تسلسلي.

لا يمكن حدوث تفاعل متسلسل إلا مع تلك النظائر ، حيث يؤدي انقسامها إلى تكوين فائض من النيوترونات. لذا فإن التفاعل المتسلسل مع نظير اليورانيوم (يورانيوم 238) مستحيل ، لأن. يتم إطلاق نيوترون واحد فقط:

238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n

للتفاعلات النووية ، يتم استخدام نظائر اليورانيوم (اليورانيوم -235) والبلوتون (البلوتون -239). لكي يستمر التفاعل النووي من تلقاء نفسه ، هناك حاجة إلى كمية معينة من المواد الانشطارية ، تسمى الكتلة الحرجة. خلاف ذلك ، سيكون عدد النيوترونات الزائدة غير كافٍ لإجراء تفاعل نووي. تسمى كتلة المادة الانشطارية الأقل من الكتلة الحرجة دون الحرجة.