Ядрени реакции: прости и ясни. Ядрени реакции: видове, закони

Рачек Мария, Йесман Виталия, Румянцева Виктория

Този изследователски проект е изпълнен от ученици от 9 клас. Тя е водеща задача при изучаването от учениците на темата "Структурата на атома и атомното ядро. Използване на енергията на атомните ядра" в курса по физика за 9. клас. Целта на проекта е да се изяснят условията за протичане на ядрени реакции и принципите на работа на атомните електроцентрали.

Изтегли:

Преглед:

Общинско бюджетно учебно заведение

СОУ No14

Името на Герой на Съветския съюз

Анатолий Перфилев

G . Александров

Изследователска работа по физика

"Ядрени реакции"

Завършено

ученици

9Б клас:

Рачек Мария,

Румянцева Виктория,

Йесман Виталия

учител

Романова О.Г.

2015

Проектен план

Въведение

Теоретична част

• Ядрената енергия.

Заключение

Библиография

Въведение

Уместност:

Един от най-важните проблеми пред човечеството е енергийният проблем. Потреблението на енергия нараства толкова бързо, че известните към момента запаси от гориво ще бъдат изчерпани за относително кратко време. Проблемът с "енергийния глад" не се решава с използването на енергия от така наречените възобновяеми източници (енергията на реките, вятъра, слънцето, морските вълни, дълбоката топлина на Земята), тъй като те могат да осигурят в най-добрия случай само 5-10 % от нашите нужди. В тази връзка в средата на 20-ти век се наложи да се търсят нови източници на енергия.

В момента реалният принос за енергоснабдяването има ядрената енергия, а именно атомните електроцентрали (съкратено АЕЦ). Затова решихме да разберем дали атомните електроцентрали са полезни за човечеството.

Цели на работата:

1. Разберете условията за протичане на ядрени реакции.
2. Разберете принципите на работа на атомните електроцентрали, както и разберете дали има добър или лош ефект върху околната среда и хората.

За да постигнем целта, сме си поставили следнотозадачи:

1. Научете структурата на атома, неговия състав, какво е радиоактивност.
2. Изследвайте атома на урана. Изследвайте ядрена реакция.
3. Разгледайте принципа на работа на ядрените двигатели.

Изследователски методи:

1. Теоретична част - четене на литература за ядрени реакции.

Теоретична част.

История на атома и радиоактивността. Структурата на атома.

Предположението, че всички тела са съставени от най-малките частици, е направено от древногръцките философи Левкип и Демокрит преди около 2500 хиляди години. Тези частици се наричат ​​"атом", което означава "неделими". Атомът е най-малката частица материя, най-простата, без съставни части.

Но около средата на 19 век започват да се появяват експериментални факти, които поставят под съмнение идеята за неделимостта на атомите. Резултатите от тези експерименти предполагат, че атомите имат сложна структура и че съдържат електрически заредени частици.

Най-поразителното доказателство за сложната структура на атома беше откриването на феноменарадиоактивностнаправени от френския физик Анри Бекерел през 1896 г. Той открива, че химичният елемент уран спонтанно (т.е. без външни взаимодействия) излъчва неизвестни досега невидими лъчи, които по-късно са нареченирадиоактивно излъчване. Тъй като радиоактивното излъчване имаше необичайни свойства, много учени започнаха да го изучават. Оказа се, че не само уранът, но и някои други химични елементи (например радий) също спонтанно излъчват радиоактивни лъчи. Способността на атомите на някои химични елементи към спонтанно излъчване започва да се нарича радиоактивност (от латински radio - излъчвам и activus - ефективен).

Бекерел излезе с идеята: не е ли всяка луминесценция придружена от рентгенови лъчи? За да провери предположението си, той взе няколко съединения, включително една от урановите соли, която фосфоресцира в жълто-зелена светлина. След като я освети със слънчева светлина, той уви солта в черна хартия и я постави в тъмен шкаф върху фотографска плака, също увита в черна хартия. След известно време, след като показа плочата, Бекерел наистина видя изображението на парче сол. Но луминесцентното лъчение не можеше да премине през черната хартия и само рентгеновите лъчи можеха да осветят плочата при тези условия. Бекерел повторил експеримента няколко пъти с еднакъв успех. В края на февруари 1896 г. на заседание на Френската академия на науките той направи доклад за рентгеновото излъчване на фосфоресциращи вещества. След известно време в лабораторията на Бекерел случайно се прояви плоча, върху която лежеше уранова сол, необлъчена от слънчева светлина. Тя, разбира се, не фосфоресцира, но отпечатъкът върху плочата се оказа. Тогава Бекерел започва да тества различни съединения и минерали на урана (включително тези, които не показват фосфоресценция), както и метален уран. Плочата постоянно светеше. Поставяйки метален кръст между солта и плочата, Бекерел получава слабите контури на кръста върху плочата. Тогава стана ясно, че са открити нови лъчи, които преминават през непрозрачни обекти, но не са рентгенови.

Бекерел споделя откритието си с учените, с които е сътрудничил. През 1898 г. Мария Кюри и Пиер Кюри откриват радиоактивността на тория, а по-късно откриват радиоактивните елементи полоний и радий. Те открили, че всички уранови съединения и в най-голяма степен самият уран имат свойството естествена радиоактивност. Бекерел се върна към луминофорите, които го интересуваха. Вярно, той направи друго голямо откритие, свързано с радиоактивността. Веднъж, за публична лекция, Бекерел се нуждаеше от радиоактивно вещество, той го взе от семейство Кюри и сложи епруветката в джоба на жилетката си. След като изнесъл лекция, той върнал радиоактивния препарат на собствениците, а на следващия ден установил зачервяване на кожата под формата на епруветка върху тялото под джоба на жилетката. Бекерел казал на Пиер Кюри за това и той поставил експеримент: в продължение на десет часа той носел епруветка с радий, завързан за предмишницата му. Няколко дни по-късно той също получи зачервяване, което след това се превърна в тежка язва, от която страдаше два месеца. Така за първи път е открит биологичният ефект на радиоактивността.

През 1899 г. в резултат на експеримент, проведен под ръководството на английския физик Ърнест Ръдърфорд, е открито, че радиоактивното излъчване на радия е нехомогенно, т.е. има сложен състав. В средата има поток (радиация), който няма електрически заряд, и 2 потока от заредени частици, наредени отстрани. Положително заредените частици се наричат ​​алфа частици, които са напълно йонизирани хелиеви атоми, и отрицателно заредени частици, бета частици, които са електрони. Неутралните се наричат ​​гама частици или гама кванти. Гама радиацията, както се оказа по-късно, е един от диапазоните на електромагнитното излъчване.

Тъй като беше известно, че атомът като цяло е неутрален, феноменът на радиоактивността позволи на учените да създадат груб модел на атома. Първият човек, направил това, е английският физик Джоузеф Джон Томсън, който създава един от първите модели на атома през 1903 г. Моделът представляваше сфера, в целия обем на която беше равномерно разпределен положителен заряд. Вътре в топката имаше електрони, всеки от които можеше да осцилира около своето равновесно положение. Моделът наподобяваше по форма и структура кекс със стафиди. Положителният заряд е равен по абсолютна стойност на общия отрицателен заряд на електроните, така че зарядът на атома като цяло е нула.

Моделът на Томсън за структурата на атома се нуждаеше от експериментална проверка, която беше подета през 1911 г. от Ръдърфорд. Той провежда експерименти и стига до извода, че моделът на атома е топка, в центъра на която има положително заредено ядро, което заема малък обем от целия атом. Електроните се движат около ядрото, чиято маса е много по-малка. Атомът е електрически неутрален, тъй като зарядът на ядрото е равен на модула на общия заряд на електроните. Ръдърфорд също установи, че ядрото на атома има диаметър около 10-14 – 10 -15 м, т.е. той е стотици хиляди пъти по-малък от атом. Това е ядрото, което претърпява промяна по време на радиоактивни трансформации, т.е. радиоактивността е способността на някои атомни ядра спонтанно да се трансформират в други ядра с излъчване на частици. За да регистрира (вижда) частиците, през 1908 г. немският физик Ханс Гайгер изобретява така наречения брояч на Гайгер.

По-късно положително заредените частици в атома бяха наречени протони, а отрицателните - неутрони. Протоните и неутроните са известни като нуклони.

делене на уран. Верижна реакция.

Деленето на урановите ядра по време на бомбардирането им с неутрони е открито през 1939 г. от немските учени Ото Хан и Фриц Щрасман.

Нека да разгледаме механизма на това явление. Поглъщайки допълнителен неутрон, ядрото влиза в действие и се деформира, придобивайки удължена форма.

В ядрото има 2 вида сили: електростатични сили на отблъскване между протоните, стремящи се да разрушат ядрото, и ядрени сили на привличане между всички нуклони, поради които ядрото не се разпада. Но ядрените сили са с малък обсег, така че в едно удължено ядро ​​те вече не могат да задържат частите на ядрото, които са много отдалечени една от друга. Под действието на електростатичните сили ядрото се разкъсва на две части, които се разпръскват в различни посоки с голяма скорост и излъчват 2-3 неутрона. Част от вътрешната енергия се преобразува в кинетична. Фрагменти от ядрото бързо се забавят в околната среда, в резултат на което тяхната кинетична енергия се превръща във вътрешна енергия на околната среда. При едновременното делене на голям брой уранови ядра вътрешната енергия на средата около урана и съответно нейната температура се увеличават. По този начин реакцията на делене на урановите ядра протича с освобождаването на енергия в околната среда. Енергията е колосална. При пълното делене на всички ядра, присъстващи в 1 g уран, се освобождава толкова енергия, колкото се отделя при изгарянето на 2,5 тона нефт. За преобразуване на вътрешната енергия на атомните ядра в електрическа енергия се използват верижни реакции на ядрено делене, основаващи се на факта, че 2-3 неутрона, освободени по време на деленето на първото ядро, могат да участват в деленето на други ядра, които ги улавят. За да се поддържа непрекъснатостта на верижната реакция, е важно да се вземе предвид масата на урана. Ако масата на урана е твърде малка, тогава неутроните излитат от него, без да срещнат ядрото по пътя си. Верижната реакция спира. Колкото по-голяма е масата на парче уран, толкова по-големи са неговите размери и толкова по-дълъг е пътят, който неутроните изминават в него. Вероятността за среща на неутрони с атомни ядра нараства. Съответно се увеличава броят на ядрените деления и броят на излъчените неутрони. Броят на неутроните, които се появяват след деленето на ядрото, е равен на броя на загубените неутрони, така че реакцията може да продължи дълго време. За да не спре реакцията, е необходимо да се вземе маса уран с определена стойност - критична. Ако масата на урана е повече от критична, тогава в резултат на рязко увеличаване на свободните неутрони верижната реакция води до експлозия.

Ядрен реактор. Ядрена реакция. Преобразуване на вътрешната енергия на атомните ядра в електрическа енергия.

Ядрен реактор - Това е устройство, в което се осъществява контролирана верижна ядрена реакция, съпроводена с отделяне на енергия. Първият ядрен реактор, наречен SR-1, е построен през декември 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. В момента, според МААЕ, в света има 441 реактора в 30 страни. В процес на изграждане са още 44 реактора.

В ядрен реактор уран-235 се използва главно като делящ се материал. Такъв реактор се нарича реактор с бавни неутрони.модератор Неутроните могат да бъдат различни вещества:

1. вода . Предимствата на обикновената вода като модератор са нейната наличност и ниска цена. Недостатъците на водата са ниската точка на кипене (100 °C при налягане 1 atm) и абсорбцията на топлинни неутрони. Първият недостатък се елиминира чрез увеличаване на налягането в първи контур. Поглъщането на топлинни неутрони от водата се компенсира от използването на ядрено гориво на основата на обогатен уран.
2. Тежка вода . Тежката вода се различава малко от обикновената вода по своите химични и топлофизични свойства. Той практически не абсорбира неутрони, което прави възможно използването на естествен уран като ядрено гориво в реактори с модератор с тежка вода. Недостатъкът на тежката вода е високата й цена.
3. Графит . Реакторният графит се получава изкуствено от смес от петролен кокс и каменовъглен катран. Първо, блоковете се пресоват от сместа и след това тези блокове се обработват термично при висока температура. Графитът има плътност 1,6-1,8 g/cm3. Сублимира при температура 3800-3900 °C. Загрятият на въздух до 400 °C графит се запалва. Следователно в енергийните реактори той се съдържа в атмосфера от инертен газ (хелий, азот).
4. Берилий . Един от най-добрите ретардери. Има висока точка на топене (1282°C) и топлопроводимост и е съвместим с въглероден диоксид, вода, въздух и някои течни метали. Въпреки това, хелият се появява в праговата реакция, следователно при интензивно облъчване с бързи неутрони вътре в берилия се натрупва газ, под налягането на който берилият набъбва. Използването на берилий също е ограничено от високата му цена. Освен това берилият и неговите съединения са силно токсични. Берилият се използва за направата на рефлектори и водоизместители в сърцевината на изследователските реактори.

Части от реактор с бавни неутрони: в сърцевината има ядрено гориво под формата на уранови пръти и забавител на неутрони (например вода), рефлектор (слой от материя, който заобикаля сърцевината) и защитна обвивка, изработена от бетон. Реакцията се контролира от контролни пръти, които ефективно абсорбират неутрони. За стартиране на реактора те постепенно се изваждат от активната зона. Неутроните и фрагментите от ядра, образувани по време на тази реакция, летящи с висока скорост, падат във водата, сблъскват се с ядрата на водородните и кислородните атоми и им предават част от кинетичната си енергия. В същото време водата се нагрява и след известно време забавените неутрони отново попадат в урановите пръти и участват в ядреното делене. Активната зона е свързана с топлообменника посредством тръби, образуващи първата затворена верига. Помпите осигуряват циркулация на водата в него. Нагрятата вода преминава през топлообменника, загрява водата във вторичната намотка и я превръща в пара. Така водата в активната зона служи не само като модератор на неутрони, но и като охлаждаща течност, която отвежда топлината. След като енергията на парата в намотката се преобразува в електрическа енергия. Парата върти турбината, която задвижва ротора на генератора на електрически ток. Отработената пара влиза в кондензатора и се превръща във вода. След това целият цикъл се повтаря.

ядрен двигателизползва енергията на ядреното делене или синтез за създаване на реактивна тяга. Традиционният ядрен двигател като цяло е дизайн на ядрен реактор и самия двигател. Работният флуид (по-често - амоняк или водород) се подава от резервоара към активната зона на реактора, където, преминавайки през каналите, нагрявани от реакцията на ядрено разпадане, се нагрява до високи температури и след това се изхвърля през дюзата, създавайки реактивна тяга .

Ядрената енергия.

Ядрената енергия- област на технологията, основана на използването на реакцията на делене на атомните ядра за генериране на топлина и генериране на електричество. Ядрената енергетика е най-значима във Франция, Белгия, Финландия, Швеция, България и Швейцария, т.е. в тези индустриализирани страни, където няма достатъчно природни енергийни ресурси. Тези страни генерират между една четвърт и половина от електроенергията си от атомни електроцентрали.

Първият европейски реактор е създаден през 1946 г. в Съветския съюз под ръководството на Игор Василиевич Курчатов. През 1954 г. в Обнинск е пусната в експлоатация първата атомна електроцентрала. Предимства на АЕЦ:

1. Основното предимство е практическата независимост от източници на гориво поради малкото използвано гориво. В Русия това е особено важно в европейската част, тъй като доставката на въглища от Сибир е твърде скъпа. Експлоатацията на атомна електроцентрала е много по-евтина от ТЕЦ. Вярно е, че изграждането на ТЕЦ е по-евтино от строителството на атомна електроцентрала.
2. Голямо предимство на атомната електроцентрала е нейната относителна екологична чистота. В ТЕЦ-овете общите годишни емисии на вредни вещества са приблизително 13 000 тона годишно за газовите и 165 000 тона за прахообразните ТЕЦ-ове. В атомните централи няма такива емисии. Топлоелектрическите централи консумират 8 милиона тона кислород годишно за окисляване на горивото, докато атомните електроцентрали изобщо не консумират кислород. Освен това въглищната централа дава по-високо специфично отделяне на радиоактивни вещества. Въглищата винаги съдържат естествени радиоактивни вещества; когато въглищата се изгарят, те почти напълно навлизат във външната среда. Повечето радионуклиди от ТЕЦ са дълготрайни. Повечето от радионуклидите от атомните електроцентрали бързо се разпадат, превръщайки се в нерадиоактивни.
3. За повечето страни, включително Русия, производството на електроенергия в атомните електроцентрали не е по-скъпо, отколкото в прахообразните и още повече в топлоелектрическите централи на газьол. Предимството на атомните електроцентрали в себестойността на произведената електроенергия е особено забележимо по време на така наречените енергийни кризи, започнали в началото на 70-те години. Падащите цени на петрола автоматично намаляват конкурентоспособността на атомните електроцентрали.

Използването на ядрени двигатели в съвремието.

С развитието на ядрената физика перспективата за създаване на атомни електроцентрали става все по-ясна. Първата практическа стъпка в тази посока е направена от Съветския съюз, където през 1954г. е построена атомна електроцентрала.

През 1959г Първият атомен кораб в света - ледоразбивачът "Ленин", беше пуснат в експлоатация под флага на СССР, който успешно направляваше търговски кораби в трудните условия на Арктика.

През последните години на 19-ти век мощните съветски атомни ледоразбивачи Арктика и Сибир влизат в арктическата стража...

Ядрената енергия разкри особено големи възможности за подводниците, което направи възможно решаването на двата най-неотложни проблема - увеличаване на подводната скорост и увеличаване на продължителността на плуване под вода без изплуване. В крайна сметка най-модерните дизелово-електрически подводници не могат да развият повече от 18-20 възела под вода и дори тази скорост се поддържа само за около час, след което те са принудени да излязат на повърхността, за да заредят батериите.

При такива условия, по указание на ЦК на КПСС и съветското правителство, в нашата страна в най-кратки срокове беше създаден атомен подводен флот. Съветските атомни подводници многократно пресичаха Северния ледовит океан под леда, изплуваха в района на Северния полюс. В навечерието на XXIII конгрес на КПСС група атомни подводници обиколиха света, преминавайки около 22 хиляди мили под вода, без да изплуват ...

Основната разлика между ядрена подводница и парна подводница е замяната на парния котел с реактор, в който се извършва контролирана верижна реакция на делене на атоми на ядрено гориво с отделяне на топлина, използвана за производство на пара в пара генератор.

Ядрената инсталация създаде реална перспектива подводниците не само да се изравнят по скорост с надводните кораби, но и да ги надминат. Както знаем, в потопено състояние подводницата не изпитва вълново съпротивление, за преодоляване на което високоскоростните кораби с повърхностно изместване изразходват по-голямата част от мощността на електроцентралата.

Биологичният ефект на радиацията.

Радиацията по своята същност е вредна за живота. Малки дози радиация могат да „стартират“ все още не напълно разбрана верига от събития, водещи до рак или генетични увреждания. При високи дози радиацията може да разруши клетките, да увреди тъканите на органите и да причини смърт на организма. Увреждането, причинено от високи дози радиация, обикновено се проявява в рамките на часове или дни. Раковите заболявания обаче се появяват много години след излагане, обикновено не по-рано от едно до две десетилетия. А вродените малформации и други наследствени заболявания, причинени от увреждане на генетичния апарат, по дефиниция се появяват само в следващите или следващите поколения: това са деца, внуци и по-далечни потомци на индивид, който е бил изложен на радиация.

В зависимост от вида на радиацията, радиационната доза и нейните условия са възможни различни видове радиационни увреждания. Това са остра лъчева болест (ОЛБ) - от външно облъчване, ОЛБ - от вътрешно облъчване, хронична лъчева болест, различни клинични форми с преобладаващо локално поражение на отделни органи, които могат да се характеризират с остро, подостро или хронично протичане; това са дългосрочни последици, сред които най-значима е появата на злокачествени тумори; дегенеративни и дистрофични процеси (катаракта, стерилитет, склеротични промени). Това включва и генетичните последствия, наблюдавани в потомството на изложени родители. Йонизиращите лъчения, които причиняват тяхното развитие, поради високата си проникваща способност, засягат тъкани, клетки, вътреклетъчни структури, молекули и атоми навсякъде в тялото.

Живите същества реагират различно на въздействието на радиацията и развитието на радиационните реакции до голяма степен зависи от дозата на радиацията. Поради това е препоръчително да се прави разлика между: 1) въздействието на малки дози, до около 10 rad; 2) експозиция на средни дози, обикновено използвани за терапевтични цели, които граничат на горната си граница с експозиция на високи дози. При излагане на радиация има реакции, които възникват веднага, ранни реакции, както и късни (отдалечени) прояви. Крайният резултат от облъчването често зависи до голяма степен от мощността на дозата, различните условия на облъчване и особено от природата на излъчванията. Това важи и за областта на приложение на радиацията в клиничната практика за терапевтични цели.

Радиацията влияе различно на хората в зависимост от пола и възрастта, състоянието на организма, имунната му система и др., но е особено силно при кърмачета, деца и юноши.

Ракът е най-сериозното от всички последствия от излагането на хора на ниски дози. Обширни проучвания, обхващащи 100 000 оцелели от атомните бомбардировки над Хирошима и Нагасаки, показват, че досега ракът е единствената причина за повишена смъртност в тази група от населението.

Заключение.

След провеждане на изследвания установихме, че ядреното гориво и ядрените двигатели носят големи ползи за хората. Благодарение на тях човек намери евтини източници на топлина и енергия (една атомна електроцентрала замества няколко десетки или дори стотици обикновени топлоелектрически централи за човек), успя да премине през леда до Северния полюс и да потъне на дъното на океана. Но всичко това работи само когато се прилага правилно, т.е. в точното количество и само за мирни цели. Има много случаи на експлозии на атомни електроцентрали (Чернобил, Фукушима) и експлозии на атомни бомби (Хирошима и Нагасаки).

Но никой не е защитен от последствията от радиоактивните отпадъци. Много хора страдат от лъчева болест и рак, причинени от радиация. Но смятаме, че след няколко години учените ще измислят методи за изхвърляне на радиоактивни отпадъци без вреда за здравето и ще измислят лекарства за всички тези болести.

Библиография.

1. А. В. Пьоришкин, Е. М. Гутник. "Учебник по физика за 9 клас".
2. Г. Кеслер. "Ядрена енергия".
3. Р. Г. Перелман. "Ядрени двигатели".
4. Е. Ръдърфорд. Избрани научни трудове. Строежът на атома и изкуствената трансформация.
5. https://en.wikipedia.org

Преглед:

За да използвате визуализацията на презентации, създайте акаунт в Google (акаунт) и влезте:

ЯДРЕНИ РЕАКЦИИ В ПРИРОДАТА - делят се на 2 класа: термоядрени реакции и реакции под действието на ядрени частици и ядрено делене. Първите изискват температура от ~ няколко милиона градуса за тяхното осъществяване и се срещат само във вътрешността на звездите или по време на експлозии на H-бомби. Последните възникват в атмосферата и литосферата поради космическа радиация и поради ядрено-активни частици в горните черупки на Земята. Бързите космически частици (средна енергия ~2 10 9 eV), навлизайки в земната атмосфера, често предизвикват пълно разцепване на атмосферните атоми (N, O) на по-леки ядрени фрагменти, в т.ч. неутрони.Скоростта на образуване на последния достига 2,6 неутрона (cm -2 sec -1). Неутроните взаимодействат предимно с атмосферния N, осигурявайки постоянно производство на радиоактивни вещества изотопивъглерод C 14 (T 1/2 = 5568 години) и тритий H 3 (T 1/2 = 12,26 години) съгласно следните реакции N 14 + П\u003d C 14 + H 1; N 14+ н\u003d C 12 + H 3. Годишното образуване на радиовъглерод в земната атмосфера е около 10 kg. Отбелязано е и образуването на радиоактивни Be 7 и Cl 39 в атмосферата. Ядрените реакции в литосферата възникват главно поради α-частици и неутрони, възникващи от разпадането на дългоживеещи радиоактивни елементи (главно U и Th). Трябва да се отбележи натрупването на He 3 в някои mls, съдържащи Li (вж. Изотопи на хелий в геологията),образуването на отделни изотопи на неон в евксенит, монацит и други m-lahs според реакциите: O 18 + He 4 \u003d Ne 21 + P; Fe 19 + He \u003d Na 22 + P; Na 22 → Ne 22 . Образуването на изотопи на аргон в радиоактивни вещества според реакциите: Cl 35 + Не = Ar 38 + н; Cl 35 + He \u003d K 38 + H 1; K 38 → Ar 38. При спонтанно и предизвикано от неутрони делене на уран се наблюдава образуването на тежки изотопи на криптон и ксенон (вижте метода за определяне на абсолютната възраст на ксенон).В m-lakh на литосферата изкуственото делене на атомните ядра предизвиква натрупване на определени изотопи в количество 10 -9 -10 -12% от масата на m-la.

Геологически речник: в 2 тома. - М.: Недра. Редактирано от K. N. Paffengolts et al.. 1978 .

Вижте какво е "ЯДРЕНИ РЕАКЦИИ В ПРИРОДАТА" в други речници:

Ядрена физика Атомно ядро ​​Радиоактивен разпад Ядрена реакция Основни термини Атомно ядро ​​Изотопи Изобари Период на полуразпад Ma ... Wikipedia

Ядрени реакции между леки атоми. ядра, възникващи при много високи температури (=108K и повече). За преодоляване на електростатиката са необходими високи температури, т.е. достатъчно големи относителни енергии на сблъскващите се ядра. бариера, ...... Физическа енциклопедия

Chem. трансформации и ядрени процеси, при които появата на междинна активна частица (свободен радикал, атом, възбудена молекула при химични трансформации, неутрон при ядрени процеси) предизвиква верига от трансформации на първоначалните в c. Примери за хим. C. r ... Химическа енциклопедия

Едно от новите направления на модерното геол. наука, тясно свързана със сродни раздели на ядрената физика, геохимията, радиохимията, геофизиката, космохимията и космогонията и обхващаща сложните проблеми на естествената еволюция на атомните ядра в природата и ... ... Геологическа енциклопедия

Стабилни и радиоактивни изотопи, образувани в природни обекти под действието на космическа радиация, например по схемата: XAz + P → YAZ + an + bp, в която A = A1 + an + (b 1)p; Z \u003d Z1.+ (b 1)p, където XAz е оригиналното ядро, P е бързо ... ... Геологическа енциклопедия

Термоядрен синтез, реакция на сливане на леки атомни ядра в по-тежки ядра, протичаща при свръхвисоки температури и придружена от освобождаване на огромно количество енергия. Ядреният синтез е реакция, обратна на деленето на атомите: при последното ... ... Енциклопедия на Collier

Ядрени процеси Радиоактивно разпадане Алфа разпадане Бета разпадане Клъстерно разпадане Двойно бета разпадане Електронно улавяне Двойно улавяне на електрони Гама радиация Вътрешно преобразуване Изомерен преход Неутронно разпадане Позитронно разпадане ... ... Wikipedia

94 Нептуний ← Плутоний → Америций Sm Pu ... Уикипедия

Ядрена физика ... Уикипедия

Книги

• Получаване на ядрена енергия и редки и благородни метали в резултат на ядрени трансформации. Енергия на свързване и потенциална енергия на електрическо взаимодействие на електрически заряди в неутрон, деутрон, тритий, хелий-3 и хелий-4
• Получаване на ядрена енергия и редки и благородни метали в резултат на ядрени трансформации. Енергия на свързване и потенциална енергия на електрическо взаимодействие на електрически заряди в неутрон, Deuter, Larin V.I. Първата част на тази книга се занимава с различни ядрени реакции за получаване на енергия и благородни метали в резултат на принудителни ядрени трансформации на стабилни изотопи.…

Подобно на химичните реакции, ядрените реакции могат да бъдат ендотермични и екзотермични.

Ядрените реакции се разделят на реакции на разпад и реакции на синтез. Специален вид ядрена реакция е ядреното делене. Времето на ядрения разпад и ядреното делене означава напълно различни видове реакции [ ].

1. История

Първата изкуствено предизвикана ядрена реакция е наблюдавана през годината от Ърнест Ръдърфорд, облъчвайки азот с алфа частици. Реакцията протича по схемата

.

2. Закони за запазване при ядрени реакции

По време на ядрените реакции се изпълняват общите закони за запазване на енергията, импулса, ъгловия момент и електрическия заряд.

Освен това има редица специални закони за запазване, присъщи на ядреното взаимодействие, например законът за запазване на барионния заряд.

3. Енергиен добив на ядрена реакция

Ако сумата от масите на покой на частиците в реакцията е по-голяма от сумата на масите на покой на частиците след реакцията, тогава такава реакция протича с освобождаване на енергия. Тази енергия се нарича енергиен добив на ядрена реакция. Енергийният добив на ядрена реакция се изчислява по формулата ΔE = Δmc 2, където Δm е дефектът на масата, c е скоростта на светлината.

4. Видове ядрени реакции

4.1. Реакции на ядрен синтез

По време на реакциите на ядрен синтез се образуват нови, по-тежки ядра от леки ядра на елементи.

Обикновено реакциите на синтез са възможни само при условия, при които ядрата имат голяма кинетична енергия, тъй като силите на електростатичното отблъскване предотвратяват приближаването на еднакво заредени ядра, създавайки т.нар. Кулонова бариера.

Изкуствено това може да се постигне с помощта на ускорители на заредени частици, в които йони, протони или α-частици се ускоряват от електрическо поле, или термоядрени реактори, където йони на дадено вещество придобиват кинетична енергия поради топлинно движение. В последния случай говорим за реакция на термоядрен синтез.

4.1.1. Ядрен синтез в природата

В природата термоядрените реакции са започнали в първите минути след Големия взрив. По време на първичната нуклеосинтеза само някои леки ядра (деутерий, хелий, литий) се образуват от протони.
Сега ядрените реакции протичат в ядрата на звездите, например в Слънцето. Основният процес е образуването на хелиево ядро ​​от четири протона, което може да се случи или в протон-протонна верига, или в цикъла на Bethe-Weizsäcker.

В звезди, чиято маса надвишава половината M ☉, могат да се образуват други, по-тежки елементи. Този процес започва с образуването на въглеродни ядра в тройна α реакция. Получените ядра взаимодействат с протони и α-частици и по този начин образуват химични елементи до желязния пик.

Образуването на тежки ядра (от желязо до бисмут) се случва в черупките на сравнително масивни звезди на етапа на червения гигант, главно поради s-процеса и отчасти поради p-процеса. Навагчи (нестабилни) ядра се образуват по време на експлозия на свръхнова.

4.2. Реакции на ядрено разпадане

Реакциите на разпад се дължат на алфа и бета радиоактивност. По време на алфа разпадане алфа частица 4 He излита от ядрото и масовото число и зарядното число на ядрото се променят съответно на 4 и 2. По време на бета-разпад електрон или позитрон излита от ядрото, масовото число на ядрото не се променя, а зарядното число се увеличава или намалява с 1. И двата вида разпадане възникват спонтанно.

4.3. Ядрено делене

Малък брой изотопи са способни на делене - реакция, при която ядрото се разделя на две големи части. Може да се осъществи ядрено делене спонтанно,така принуден- под въздействието на други частици, главно - неутрони.

години беше разкрито, че ядрата на уран-235 са способни не само на спонтанно делене(на две леки ядра) с освобождаване на ~ 200 MeV енергия и излъчване на два или три неутрона, но също и до принудително разделение,задействани от неутрони. Като се има предвид, че в резултат на такова разделяне се отделят и неутрони, които могат да предизвикат нови реакции на принудително делене на съседни уранови ядра, възможността за верижна ядрена реакция стана очевидна. Такава реакция не се среща в природата само защото естественият уран се състои от 99,3% от изотопа уран-238 и само уран-235, който се съдържа само 0,7% в естествения уран, е способен на делене.

Механизмът на реакцията на ядрено делене е следният. Ядрените сили чрез взаимодействието на обменни виртуални частици (в повечето случаи възниква взаимодействие пион-нуклон) имат нецентрален характер. Това означава, че нуклоните не могат да взаимодействат едновременно с всички нуклони в ядрото, особено в многонуклонните ядра. При голям брой нуклони в ядрото това причинява асиметрия в плътността на ядрените сили и допълнителна асиметрия в нуклонната връзка и, следователно, асиметрия в енергията върху обема на ядрото. Ядрото придобива форма, която значително се различава от сферичната. В този случай електростатичното взаимодействие между протоните може да се доближи до силното взаимодействие по отношение на енергията.

Така, поради асиметрията, енергийната бариера на делене се преодолява и ядрото се разпада на по-леки ядра, които са асиметрични по маса.

Понякога ядрото може да тунелира в състояние с по-ниска енергия.

5. Ядрени реакции в живота на човека

5.1. Атомна бомба

Верижната реакция на делене на атомните ядра през ХХ век започва да се използва в атомни бомби. Поради факта, че за интензивна ядрена реакция е необходимо да има критична маса (масата, необходима за развитието на верижна реакция), тогава, за да се извърши атомна експлозия, се комбинират няколко части с маси, по-малки от критичната , образува се свръхкритична маса и в нея протича верижна реакция на делене, придружена от освобождаване на голямо количество енергия - възниква атомна експлозия.

5.2. Ядрен реактор

Ядрен реактор се използва за преобразуване на топлинната енергия от ядрения разпад в електрическа енергия. Като гориво в реактора се използва смес от изотопи на уран-235 и уран-238 или плутоний-239. Когато бързите неутрони ударят ядрото на атом на уран-238, той се превръща в плутоний-239 и последващото му разпадане с освобождаване на енергия. Процесът може да бъде цикличен, но това изисква реактори, работещи с бързи неутрони. Сега нуклидът уран-235 се използва като основен компонент в реакторите. За взаимодействието му с бързите неутрони те трябва да бъдат забавени. Как да използвате ретардер:

Според вида на водата, използвана в реакторите, D 2 O или H 2 O, реакторите се разделят на тежка водаи лека водасъответно. В реакторите с тежка вода като гориво се използва нуклид уран-238, в реактори с лека вода - уран-235. Контролни пръти, съдържащи изотопи на бор или кадмий, се използват за контролиране на реакцията на гниене и спирането й. Енергията, която се освобождава по време на верижната реакция на делене, се отстранява от охлаждащата течност. Следователно, той се нагрява и когато влезе във водата, той го загрява, превръщайки го в пара (често самата вода е охлаждащата течност). Парата обръща парна турбина, която завърта ротора на алтернатора.

Това е все още мъниче физика. Можете да проектирате

ЯДРЕНА РЕАКЦИИ
Ядрени реакции - превръщанияатомни ядра при взаимодействие с други ядра,елементарни частициили кванти. Това определение ограничава ядренотореакции и процеси на спонтанна трансформация на ядра по време на радиоактивен разпад (вж.Радиоактивност), въпреки че и в двата случая говорим за образуване на нови ядра.
Ядренареакции извършва се под действието на падащи или бомбардиращи частици (неутрони p, протони p, дейтрони d, електрони e, атомни ядра различни. елементи) или кванти, които се облъчват с по-тежки ядра, съдържащи се в мишената. Според енергиите на бомбардиращите частици ядрениреакции при ниско (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 MeV) енергии. Разграничаване на области на леки ядра (масово число целеви ядра А< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Ядренареакция може да възникне, ако двете участващи в него частици се приближат на разстояние, по-малко от диаметъра на ядрото (около 10 -13 cm), т.е. на разстояние, на което действат и взаимодействат вътрешноядрените сили. между съставните нуклони. Ако и двете участват в ядренареакции частиците - както бомбардиращото, така и целевото ядро ​​- са положително заредени, тогава приближаването на частиците се предотвратява от силата на отблъскване на двете поставени. заряди, а бомбардиращата частица трябва да преодолее т.нар. Кулонова потенциална бариера. Височината на тази бариера зависи от заряда на бомбардиращата частица и заряда на целевото ядро. За ядра сатоми от вж. стойностиатомно число и бомбардиране на частици със заряд +1, височината на бариерата е около 10 MeV. В случай, че в ядренареакции участват частици, които нямат заряд (неутрони ), няма потенциална бариера на Кулон и ядренареакции може да тече с участието на частици, притежаващи топлинна енергия (т.е. енергия, съответстваща на топлинни вибрацииатоми ).
Възможността за възникване на ядрениреакции не в резултат на бомбардирането на целевите ядра от падащи частици, а поради свръхсилното приближаване на ядрата (т.е. приближаването до разстояния, сравними с диаметъра на ядрото), разположени в твърдото тяломатрица или на повърхносттатвърдо тяло (например с участието на ядрагазови атоми на деутерий , разтворен впаладий ); досега (1995 г.) надеждни данни за реализацията на такива ядрениреакции ("студен синтез") бр.
Ядренареакции се подчиняват на същите общи закони на природата като обикновените хим. реакции (закон за запазване на масатаи енергия, запазване на заряда, импулс). Освен това по време на ядренатареакции има и някои специфични закони, които не се проявяват в хим. реакции, например законът за запазване на барионния заряд (барионите са тежкиелементарни частици).
Рекордно ядренореакции възможно, както се вижда от примера на трансформацията на Pu ядра в Ku ядра по време на облъчване на плутониева мишена с ядране тя:

От този запис се вижда, че сумите на таксите отляво и отдясно (94 + 10 = 104) и сумитемасови числа (242 + 22 = 259 + 5) са равни помежду си. Тъй като символът на хим. елемент уникално показва неговия атомен номер (ядрен заряд), след това при писане на ядренореакции стойностите на заряда на частиците обикновено не са посочени. По-често ядрениреакции пиши по-кратко. Да, ядренареакция на образуване на радионуклиди 14 C по време на облъчване на ядра 14 Nнеутрони запишете както следва: 14 N (n, p) 14 C.
В скоби посочете първо бомбардиращата частица или квант, след това, разделени със запетая, получените светлинни частици или квант. В съответствие с този метод на запис, (n, p), (d, p), (n, 2n) и други ядрениреакции .
При сблъсък на същите частици, ядрениреакции може да върви по различни начини. Например, когато се облъчва алуминиева целнеутрони може да последва. ядренреакции : 27 A1(n,) 28 A1, 27 A1(n, n) 27 A1, 27 A1(n, 2n) 26 A1, 27 A1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na и т.н. Наборът от сблъскващи се частици се нарича входен канал на ядротореакции , и частици, произведени в резултат на ядренореакции , образуват изходния канал.
Ядренареакции може да протича с отделяне и поглъщане на енергия Q. Ако запишем ядренатареакция като A(a, b)B, тогава за такова ядренореакции енергията е: Q \u003d [(M A + M a) - (M in + M b)] x c 2, където M е масата, участваща в ядренатареакции частици; c е скоростта на светлината. На практика е по-удобно да се използват стойноститемасови дефекти делта М (виж атомно ядро ), тогава изразът за изчисляване на Q има формата: освен това, от съображения за удобство, той обикновено се изразява в килоелектронволти (keV, 1 amu = 931501,59 keV = 1,492443 x 10 -7 kJ).
Промяната в енергията, която съпътства ядрената енергияреакция , може да бъде 10 6 пъти или повече по-висока от енергията, освободена или абсорбирана по време на химич. реакции. Следователно с ядренареакции промяната в масите на взаимодействащите ядра става забележима: освободената или погълната енергия е равна на разликата между сумите на масите на частиците преди и след ядротореакции . Способността да се освобождават огромни количества енергия при изпълнението на ядрената енергияреакции лежи в основата на ядрената енергияенергия . Изследване на връзките между енергиите на частиците, участващи в ядрената енергияреакции , както и връзката между ъглите, под които се разширяват получените частици, съставлява раздел от ядрената физика - кинематиката на ядрените реакции.
Ядрена реакции .
Характерът на взаимодействието на падаща частица с целево ядро ​​зависи от индивидуалните свойства на взаимодействащите частици и енергията на падащата частица. Една падаща частица може да влезе в целевото ядро ​​и да излети от него само като промени траекторията си. Това явление се нарича еластично взаимодействие (или еластично разсейване). В горния пример с участието на ядра 27 A1 съответства на ядротореакция 27 A1(r, r) 27 A1. Нуклонът на бомбардиращата частица, удряйки ядрото, може да се сблъска с нуклона на ядрото. Ако в този случай енергията на един или двата нуклона се окаже по-голяма от енергията, необходима за излизане от ядрото, тогава и двата (или поне един от тях) ще напуснат ядрото. Това е така нареченият директен процес. Времето, през което тече, съответства на времето, през което бомбардиращата частица преминава през пространството, заето от целевото ядро. Предполага се, че е около 10 -22 s. Директният процес е възможен при високи енергии на бомбардиращата частица.
При средни и ниски енергии на бомбардиращата частица нейната излишна енергия се преразпределя между много нуклони на ядрото. Това се случва за време от 10 -15 -10 -16 s. Това време съответства на живота на така нареченото съставно ядро ​​на ядрена система, което се образува в хода на ядрен взрив.реакции в резултат на сливането на падащата частица с целевото ядро. През този период излишната енергия, получена от съставното ядро ​​от падащата частица, се преразпределя. Той може да се концентрира върху един или повече нуклони, които изграждат съставното ядро. В резултат на това съставното ядро ​​излъчва например дейтрон d, тритон t или частица.
Ако обаче енергията, въведена в съставното ядро ​​от падащата частица, се окаже по-малка от височината на потенциалната бариера, която леката частица, излизаща от съставното ядро, трябва да преодолее, тогава в този случай съставното ядро ​​излъчва квант ( радиационно улавяне). В резултат на разпадането на съставното ядро ​​се образува сравнително тежко ново ядро, което може да бъде както в основното, така и ввъзбудено състояние. В последния случай ще има постепенен преход на възбуденото ядро ​​в основно състояние.

Ефективно напречно сечение на ядрото реакции .

За разлика от повечето химични реакции, при които изходните вещества, взети в стехиометрични количества, реагират помежду си напълно, ядренатареакция причинява само малка част от всички бомбардиращи частици, паднали върху целта. Това се дължи на факта, че ядрото заема незначителна част от обемаатом , така че вероятността падаща частица да премине през целта и да срещне ядротоатом много малък. Кулоновата потенциална бариера между падащата частица и ядрото (със същия заряд) също предотвратява ядренатареакции . За количества. характеристики на вероятността от ядренареакции използвайте концепцията за ефективен раздел a. Той характеризира вероятността за преминаване на две сблъскващи се частици до определено крайно състояние и е равен на отношението на броя на тези преходи за единица време към броя на бомбардиращите частици, преминаващи за единица време през единица площ, перпендикулярна на посоката на тяхното движение. Ефективното сечение има размер на площ и е сравнимо по ред на величината с площта на напречното сечениеатомни ядра (около 10 -28 m 2). Преди това е използвана извънсистемна единица на ефективната секция - плевня (1 плевня \u003d 10 -28 m 2).
Реални стойности за различни ядрениреакции варират в широки граници (от 10 -49 до 10 -22 m 2). Стойността зависи от природата на бомбардиращата частица, нейната енергия и в особено голяма степен от свойствата на облъчваното ядро. В случай на ядрено облъчваненеутрони при промяна на енергиятанеутрони можете да наблюдавате т.нар. резонансно улавяненеутрони , което се характеризира с резонансно напречно сечение. Резонансно улавяне се наблюдава, когато кинетичната енергиянеутрон е близка до енергията на едно от стационарните състояния на съставното ядро. Напречното сечение, съответстващо на резонансното улавяне на бомбардираща частица, може да надвишава нерезонансното напречно сечение с няколко порядъка.
Ако бомбардираща частица е в състояние да причини ядренореакции по няколко канала, тогава сумата от ефективните напречни сечения на различни процеси, протичащи с дадено облъчено ядро, често се нарича общо напречно сечение.
Ефективни напречни сечения на ядрениреакции за различни ядраизотопи в.-л. елементите често са много различни един от друг. Ето защо, когато използвате смесизотопи за ядренареакции трябва да се вземат предвид ефективните напречни сечения за всекинуклид като се вземе предвид разпространението му в сместаизотопи.
Ядрени изходи реакции
Добивите на ядрените реакции - числово съотношениеактове на ядрени реакции броят на частиците, падащи на единица площ (1 cm 2 ) от целта, обикновено не надвишава 10 -6 -10 -3 . За тънки цели (опростено, целта може да се нарече тънка, при преминаване през която потокът от бомбардиращи частици не отслабва забележимо), добивът на ядрениреакции е пропорционален на броя на частиците, падащи върху 1 cm 2 от повърхността на целта, броя на ядрата, съдържащи се в 1 cm 2 от целта, а също и на стойността на ефективното напречно сечение на ядренатареакции . Дори при използване на такъв мощен източник на снарядни частици като ядрен реактор, в рамките на 1 час е възможно, като правило, да се получи при изпълнението на ядрениреакции под въздействието на неутрони не повече от няколко mgатоми съдържащи нови ядра. Обикновено масата на дадено вещество се получава в едно или друго ядренореакции , значително по-малко.

бомбардиращи частици.
За изпълнение на ядрениреакциите използват неутрони n, протони p, дейтрони d, тритони t, частици, тежкийони (12 C, 22 Ne, 40 Ar и др.),електрони д и кванти. Източницинеутрони (виж неутронни източници) при провеждане на ядрениреакции служат като: смеси от метал Be и подходящ излъчвател, напр. 226 Ra (т.нар. ампулни източници), неутронни генератори, ядрени реактори. Тъй като в повечето случаи на ядрениреакции по-високи за неутрони с ниска енергия (топлиннанеутрони ), след това преди да насочите потоканеутрони на целта, те обикновено се забавят с помощтапарафин, графит и други материали. В случай на бавеннеутрони основен. процес за почти всички ядра - радиационно улавяне - ядренореакция тип, защото кулоновата бариера на ядрото предотвратява полетапротони и частици. Под влияниетоверижни реакции на делене на неутрони .
В случай на използване като бомбардиращи частиципротони , дейтрони и др., протичат с положителен заряд, бомбардиращата частица се ускорява до високи енергии (от десетки MeV до стотици GeV) с помощта на различни ускорители. Това е необходимо, за да може заредената частица да преодолее потенциалната бариера на Кулон и да влезе в облъченото ядро. Когато целите се облъчват с положително заредени частици, макс. ядрени изходиреакции постигнато с помощта на дейтрони. Това се дължи на факта, че енергията на свързванепротон и неутрон в дейтрона е сравнително малък и съответно разстоянието междупротон и неутрон .
Когато дейтроните се използват като бомбардиращи частици, само един нуклон често прониква в облъченото ядро ​​-протон или неутрон , вторият нуклон на ядрото на дейтрона лети по-нататък, обикновено в същата посока като падащия дейтрон. Високи ефективни напречни сечения могат да бъдат постигнати в ядрениреакции между дейтрони и леки ядра при относително ниски енергии на падащи частици (1-10 MeV). Следователно ядрениреакции с участието на дейтрони може да се извърши не само с помощта на дейтрони, ускорени в ускорителя, но и чрез нагряване на сместа от взаимодействащи ядра до температура от около 10 7 K. Такива ядрениреакции наречен термоядрен. При естествени условия те се срещат само в дълбините на звездите. На Земята термоядрените реакции, включващидеутерий, деутерий и тритий, деутерий и литий и други бяха извършени сексплозии термоядрени (водородни) бомби.
За частиците кулоновата бариера за тежките ядра достига ~25 MeV. Също толкова вероятно ядренореакции и ядрени продуктиреакции обикновено радиоактивни, за ядрениреакции - обикновено стабилни ядра.
За синтеза на нов свръхтежък химикал. елементи, ядрениреакции , протичащ с участието на ускорител-ускорен тежъкйони (22 Ne, 40 Ar и др.). Например за ядрениреакции м. б. синтезфермий. За ядрени реакции с тежки йони характеризиращ се с голям брой изходни канали. Например, при бомбардиране на ядра с 232 Thйони Образуват се 40 ядра Ar, Ca, Ar, S, Si, Mg, Ne.
За изпълнение на ядрениреакции под действието на квантите са подходящи високоенергийни кванти (десетки MeV). Квантите с по-ниски енергии изпитват само еластично разсейване върху ядрата. Ядрени процеси, протичащи под действието на падащи квантиреакции наречени фотоядрени, тези реакции достигат 10 30 m 2.
Макар чеелектрони имат заряд, противоположен на този на ядрата, проникванеелектрони в ядрото е възможно само в случаите, когато се използва ядрено лъчениеелектрони , чиято енергия надхвърля десетки MeV. За получаване на такиваелектрони използват се бетатрони и други ускорители.
Ядрени изследванияреакции дават разнообразна информация за вътрешната структура на ядрата. Ядренареакции, включващи неутрони ви позволяват да получите огромно количество енергия в ядрени реактори. В резултат на ядренореакции на делене под действието на неутрони голям брой различнирадионуклиди , който може да се използва по-специално вхимия като изотопни индикатори. В някои случаи ядрениреакции позволяват да получаватебелязани съединения. В основата са ядрените реакции активационен анализ. С помощта на ядрениреакции синтезиран изкуствен хим. елементи (технеций, прометий, трансуранови елементи, трансактиноид).

История на откриването на деленето на уран

Деленето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немски учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те успяха да установят, че при бомбардиране на уранови ядра с неутрони се образуват елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон и др. Австрийският физик Л. Майтнер и английският физик О. Фриш дадоха правилната интерпретация на този факт . Те обясняват появата на тези елементи с разпадането на уранови ядра, които улавят неутрон, на две приблизително равни части. Това явление се нарича ядрено делене, а получените ядра се наричат ​​​​фрагменти на делене.

Капков модел на ядрото

Тази реакция на делене може да се обясни въз основа на капковия модел на ядрото. В този модел ядрото се разглежда като капка електрически заредена несвиваема течност. В допълнение към ядрените сили, действащи между всички нуклони на ядрото, протоните изпитват допълнително електростатично отблъскване, поради което се намират в периферията на ядрото. В невъзбудено състояние силите на електростатично отблъскване се компенсират, така че ядрото има сферична форма (фиг. 1).

Ориз. един

След улавянето на неутрон от ядрото се образува междинно ядро, което е във възбудено състояние. В този случай неутронната енергия се разпределя равномерно между всички нуклони, а самото междинно ядро ​​се деформира и започва да осцилира. Ако възбуждането е малко, тогава ядрото (фиг. 1, b), освобождавайки се от излишната енергия чрез излъчване ? -квант или неутрон, връща се в стабилно състояние. Ако енергията на възбуждане е достатъчно висока, тогава деформацията на сърцевината по време на вибрации може да бъде толкова голяма, че в нея да се образува стеснение (фиг. 1в), подобно на стеснението между две части на разделяща се течна капка. Ядрените сили, действащи в тясна талия, вече не могат да устоят на значителната сила на Кулон на отблъскване на части от ядрото. Стеснението се разпада и ядрото се разпада на два "фрагмента" (фиг. 1d), които се разпръскват в противоположни посоки.
Понастоящем са известни около 100 различни изотопа с масови числа от около 90 до 145, произтичащи от деленето на това ядро. Две типични реакции на делене на това ядро ​​имат формата:
.
Имайте предвид, че в резултат на ядрено делене, инициирано от неутрон, се произвеждат нови неутрони, които могат да предизвикат реакции на делене в други ядра. Продуктите на делене на ядрата на уран-235 могат да бъдат и други изотопи на барий, ксенон, стронций, рубидий и др.
По време на деленето на ядрата на тежки атоми () се освобождава много голяма енергия - около 200 MeV по време на деленето на всяко ядро. Около 80% от тази енергия се освобождава под формата на кинетична енергия на фрагменти; останалите 20% се дължат на енергията на радиоактивното излъчване на фрагменти и кинетичната енергия на незабавните неутрони.
Енергията, освободена по време на ядрено делене, може да бъде оценена с помощта на специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото. Специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядра с масово число А? 240 е около 7,6 MeV/нуклон, докато в ядра с масови числа А= 90 – 145 специфична енергия е приблизително равна на 8,5 MeV/нуклон. Следователно деленето на ураново ядро ​​освобождава енергия от порядъка на 0,9 MeV/нуклон или приблизително 210 MeV на уранов атом. При пълното делене на всички ядра, съдържащи се в 1 g уран, се отделя същата енергия, както при изгарянето на 3 тона въглища или 2,5 тона нефт.

Верижна ядрена реакция

Верижна ядрена реакция - последователност от единичниядрени реакции , всяка от които е причинена от частица, която се е появила като продукт на реакцията на предишния етап от последователността. Пример за ядрена верижна реакция е верижната реакцияядрено делене тежки елементи, при които се инициира основният брой събития на делененеутрони получени чрез ядрено делене в предишното поколение.

При деленето на ядрото на уран-235, което се причинява от сблъсък с неутрон, се освобождават 2 или 3 неутрона. При благоприятни условия тези неутрони могат да ударят други уранови ядра и да предизвикат тяхното делене. На този етап вече ще се появят от 4 до 9 неутрона, способни да предизвикат нови разпадания на уранови ядра и т.н. Такъв лавинообразен процес се нарича верижна реакция. Схемата за развитие на верижна реакция на делене на уранови ядра е показана на фиг. 3.

Ориз. 3

Уранът се среща в природата под формата на два изотопа: (99,3%) и (0,7%). Когато са бомбардирани от неутрони, ядрата на двата изотопа могат да се разделят на два фрагмента. В този случай реакцията на делене протича най-интензивно с бавни (топлинни) неутрони, докато ядрата влизат в реакция на делене само с бързи неутрони с енергия от порядъка на 1 MeV. В противен случай енергията на възбуждане на образуваните ядра
е недостатъчна за делене и тогава вместо делене възникват ядрени реакции:
.
Изотоп на уран ? -радиоактивен, полуживот 23 мин. Изотопът на нептуний също е радиоактивен, с период на полуразпад около 2 дни.
.

Плутониевият изотоп е относително стабилен, с период на полуразпад от 24 000 години. Най-важното свойство на плутония е, че той се разпада под въздействието на неутрони по същия начин като. Следователно с помощта може да се проведе верижна реакция.
Обсъдената по-горе схема на верижна реакция е идеален случай. В реални условия не всички неутрони, произведени по време на делене, участват в деленето на други ядра. Някои от тях се улавят от неделящи се ядра на чужди атоми, други излитат от уран (изтичане на неутрони).
Следователно верижната реакция на делене на тежки ядра не се случва винаги и не за всяка маса уран.

Коефициент на размножаване на неутрони

Развитието на верижна реакция се характеризира с така наречения коефициент на размножаване на неутрони Да се, което се измерва чрез съотношението на числото н i неутрони, които причиняват ядрено делене на материята на един от етапите на реакцията, до броя н i-1 неутрони, които са причинили делене на предишния етап на реакцията:
.
Коефициентът на умножение зависи от редица фактори, по-специално от естеството и количеството на делящия се материал и от геометричната форма на обема, който заема. Едно и също количество от дадено вещество има различна стойност Да се. Да семаксимум, ако веществото има сферична форма, тъй като в този случай загубата на незабавни неутрони през повърхността ще бъде най-малка.
Масата на делящия се материал, в който протича верижната реакция с коефициента на умножение Да се= 1 се нарича критична маса. В малките парчета уран повечето от неутроните излитат, без да удрят нито едно ядро.
Стойността на критичната маса се определя от геометрията на физическата система, нейната структура и външната среда. И така, за топка от чист уран критичната маса е 47 кг (топка с диаметър 17 см). Критичната маса на урана може да се намали многократно с помощта на така наречените неутронни забавители. Факт е, че неутроните, произведени по време на разпадането на уранови ядра, имат твърде високи скорости и вероятността за улавяне на бавни неутрони от ядра на уран-235 е стотици пъти по-голяма от тази на бързите. Най-добрият модератор на неутрони е тежката вода D 2 O. При взаимодействие с неутрони самата обикновена вода се превръща в тежка вода.
Добър модератор е и графитът, чиито ядра не поглъщат неутрони. При еластично взаимодействие с деутериеви или въглеродни ядра неутроните се забавят до топлинни скорости.
Използването на неутронни модератори и специална берилиева обвивка, която отразява неутроните, позволява намаляване на критичната маса до 250 g.
С коефициент на умножение Да се= 1 броят на делящите се ядра се поддържа на постоянно ниво. Този режим се осигурява в ядрени реактори.
Ако масата на ядреното гориво е по-малка от критичната маса, тогава коефициентът на умножение Да се < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Ако масата на ядреното гориво е по-голяма от критичната, тогава коефициентът на умножение Да се> 1 и всяко ново поколение неутрони причинява все по-голям брой деления. Верижната реакция нараства лавинообразно и има характер на експлозия, съпроводена с огромно освобождаване на енергия и повишаване на температурата на околната среда до няколко милиона градуса. Верижна реакция от този вид възниква, когато избухне атомна бомба.
Ядрен реактор

Ядреният реактор е устройство, в което се контролираядрена верижна реакция придружено от освобождаване на енергия. Първият ядрен реактор е построен през декември 1942 г. в САЩ под ръководството на Е.Ферми . В Европа първият ядрен реактор е пуснат през декември 1946 г. в Москва под ръководството на И.В.Курчатов . До 1978 г. в света вече има около хиляда работещи ядрени реактори от различни видове. Компонентите на всеки ядрен реактор са:сърцевина с ядрено гориво , обикновено заобиколен от неутронен рефлектор,антифриз , система за управление на верижна реакция, радиационна защита, система за дистанционно управление. Основната характеристика на ядрения реактор е неговата мощност. Мощност в 1 Метсъответства на верижна реакция, при която 3 10 16 събития на делене възникват в 1 сек.

Ядрото на ядрения реактор съдържа ядрено гориво, протича верижна реакция на ядрено делене и се освобождава енергия. Състоянието на ядрения реактор се характеризира с ефективен коефициент Кефразмножаване на неутрони или реактивност r:

R \u003d (K? - 1) / K еф. (един)

Ако Да се еф > 1, тогава верижната реакция нараства с времето, ядреният реактор е в свръхкритично състояние и неговата реактивност е r > 0; ако Да се еф < 1 , тогава реакцията се разпада, реакторът е подкритичен, r< 0; при Да се ? = 1, r = 0, реакторът е в критично състояние, протича стационарен процес, а броят на деленията е постоянен във времето. За да се инициира верижна реакция по време на пускането на ядрен реактор, източник на неутрони обикновено се въвежда в активната зона (смес от Ra и Be, 252 Cf и т.н.), въпреки че това не е необходимо, тъй като спонтанното ядрено деленеуран и космически лъчи дават достатъчен брой първоначални неутрони за развитието на верижна реакция при Да се еф > 1.

235 U се използва като делящ се материал в повечето ядрени реактори. . Ако активната зона, в допълнение към ядреното гориво (естествено или обогатеноУран), съдържа модератор на неутрони (графит, вода и други вещества, съдържащи леки ядра, виж по-долу).Неутронно модериране ), тогава основната част от подразделенията възниква под действиетотоплинни неутрони (топлинен реактор ). В ядрен реактор с термични неутрони, естественУран , не е обогатен 235 U (това са първите ядрени реактори). Ако в ядрото няма модератор, тогава основната част от деленията се причиняват от бързи неутрони с енергия x n > 10 кев(бърз реактор ). Междинни неутронни реактори с енергия 1-1000 ев.

По конструкция ядрените реактори се делят на хетерогенни реактори , при които ядреното гориво се разпределя дискретно в активната зона под формата на блокове, между които има неутронен забавител, ихомогенни реактори , при които ядреното гориво и модераторът са хомогенна смес (разтвор или суспензия). Блокове с ядрено гориво в хетерогенен в ядрен реактор се наричатгоривни елементи (TVEL "ami), образуват правилна решетка; обемът на един горивен елемент се нарича клетка. Според естеството на употребата ядреният реактор се разделя на енергийни реактори иизследователски реактори . Често един ядрен реактор изпълнява няколко функции .

При условия на критичност ядрен реактор има формата:

Да се еф = К ? ? P = 1, (1)

Където 1 - P е вероятността за излизане (изтичане) на неутрони от активната зона на ядрен реактор, Да се ? - коефициентът на размножаване на неутрони в активната зона с безкрайно големи размери, определен за топлинни ядрени реактори чрез така наречената "формула на 4 фактора":

Да се? = неджу. (2)

Тук n е средният брой вторични (бързи) неутрони, произтичащи от деленето на ядрото 235 U топлинни неутрони, e е коефициентът на умножение за бързи неутрони (увеличаване на броя на неутроните поради делене на ядра, главно ядра 238 U , бързи неутрони); j е вероятността неутронът да не бъде уловен от ядрото 238 U по време на процеса на забавяне u е вероятността топлинен неутрон да предизвика делене. Често се използва стойността h \u003d n / (l + a), където a е съотношението на напречното сечение на улавяне на радиация s p към напречното сечение на делене s d.

Условие (1) определя размерите на ядрения реактор. Например за ядрен реактор от природен уран и графит n = 2.4. e » 1,03, eju » 0,44, откъдето Да се? =1,08. Това означава, че за Да се ? > 1 изисква R<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 м.Обемът на модерен ядрен енергиен реактор достига стотици м 3 и се определя главно от възможностите за отвеждане на топлината, а не от условията на критичност. Обемът на активната зона на ядрен реактор в критично състояние се нарича критичен обем на ядрения реактор, а масата на делящия се материал се нарича критична маса. Ядреният реактор с гориво под формата на разтвори на соли на чисти делящи се изотопи във вода и с воден неутронен отражател има най-малка критична маса. За 235 U тази маса е 0,8 килограма, за 239 Pu - 0,5 килограма. 251 има най-малката критична масавж (теоретично 10 g). Критични параметри на графитен ядрен реактор с естествениуран: маса на уран 45 T, обем графит 450 м 3 . За да се намали изтичането на неутрони, на активната зона се придава сферична или близка до сферична форма, например цилиндър с височина от порядъка на диаметъра или куб (най-малкото съотношение на повърхността към обема).

Стойността на n е известна за топлинни неутрони с точност от 0,3% (Таблица 1). С увеличаване на енергията x n на неутрона, причинил делене, n нараства според закона: n \u003d n t + 0,15x n (x n в mev), където n t съответства на делене от топлинни неутрони.

Раздел. 1. - Стойности n и h) за топлинни неутрони (според данни за 1977 г.)

233 U	235 U	239 Pu	241 Pu
n 2.479	2,416	2,862	2,924
h 2,283	2,071	2,106	2,155

Стойността на (e-1) обикновено е само няколко %; въпреки това ролята на размножаването на бързи неутрони е значителна, тъй като за големите ядрени реактори ( Да се ? - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным уран в която за първи път е извършена верижна реакция, не би било възможно да се създаде, ако не съществуваше делене на бързи неутрони).

Максималната възможна стойност на J се постига в ядрен реактор, който съдържа само делящи се ядра. Енергийните ядрени реактори използват леко обогатени

Уран (концентрация 235 U ~ 3-5%) и ядра 238 U абсорбират значителна част от неутроните. И така, за естествена смес от изотопиуран максимална стойност nJ = 1.32. Поглъщането на неутрони в забавителя и структурните материали обикновено не надвишава 5-20% от поглъщането от всички изотопи на ядреното гориво. От модераторите тежката вода има най-ниска абсорбция на неутрони, а от структурните материали -Ал и Зр .

Вероятност за резонансно улавяне на неутрони от ядра 238

U в процеса на забавяне (1-j) намалява значително в хетерогенните ядрени реактори.Намаляването на (1-j) се дължи на факта, че броят на неутроните с енергия, близка до резонансната, рязко намалява вътре в горивния блок и само външният слой на блока участва в резонансното поглъщане. Хетерогенната структура на ядрения реактор позволява да се извърши верижен процес върху естественуран . Той намалява стойността на O, но тази загуба на реактивност е много по-малка от печалбата поради намаляването на резонансното поглъщане.

За да се изчислят топлинните ядрени реактори, е необходимо да се определи спектърът на топлинните неутрони. Ако абсорбцията на неутрони е много слаба и неутронът има време да се сблъска много пъти с модераторните ядра преди абсорбцията, тогава се установява термодинамично равновесие (неутронна термализация) между модериращата среда и неутронния газ и се описва термичният неутронен спектър

Разпределение на Максуел . В действителност поглъщането на неутрони в активната зона на ядрения реактор е доста голямо. Това води до отклонение от разпределението на Максуел - средната енергия на неутроните е по-голяма от средната енергия на молекулите на средата. Процесът на термализация се влияе от движенията на ядрата,химични връзки на атомите и т.н.

Изгаряне и възпроизводство на ядрено гориво.

По време на работа на ядрен реактор настъпва промяна в състава на горивото, свързана с натрупването на фрагменти от делене в него и с образуванетотрансуранови елементи , главно изотопи Pu . Влиянието на фрагментите на делене върху реактивността на ядрения реактор се нарича отравяне (за радиоактивни фрагменти) и шлака (за стабилни). Отравянето се дължи главно на 135 Xe който има най-голямото напречно сечение на абсорбция на неутрони (2,6 10 6 хамбар). Неговият полуживот T 1/2 = 9,2 часа, добивът на делене е 6-7%. Основно тяло 135 Xe образуван в резултат на гниене 135 ] (Tts = 6,8 ч). При отравяне Kef се променя с 1-3%. Голямо напречно сечение на абсорбция 135 Xe и наличието на междинен изотоп 135аз водят до две важни явления: 1) до повишаване на концентрацията на 135 Xe и съответно до намаляване на реактивността на Ядрения реактор след неговото спиране или намаляване на мощността („йодна яма”). Това налага наличието на допълнителен запас на реактивност в регулаторните органи или прави невъзможни краткотрайни спирания и колебания на мощността. Дълбочина и продължителностйод ямки зависи от неутронния поток Ф: при Ф = 5 10 13 неутрон/cm2? секпродължителностйод дупки ~ 30 ч, а дълбочината е 2 пъти по-голяма от стационарната промяна Да се ефпричинени от отравяне 135 Xe . 2) Поради отравяне могат да възникнат пространствено-времеви флуктуации на неутронния поток Ф, а оттам и на мощността на ядрения реактор.Тези флуктуации възникват при Ф> 10 13 неутрона / cm 2? сек и големи размери на ядрения реактор Периоди на трептене ~ 10 ч.

Броят на различните стабилни фрагменти, произтичащи от ядреното делене, е голям. Има фрагменти с голямо и малко напречно сечение на абсорбция в сравнение с напречното сечение на абсорбция на делящ се изотоп. Концентрацията на първото достига насищане през първите няколко дни на работа на ядрения реактор (основно 149 Sm , променяйки K eff с 1%). Концентрацията на последните и внесената от тях отрицателна реактивност нараства линейно с времето.

Образуването на трансуранови елементи в ядрен реактор става по следните схеми:

Тук 3 означава улавяне на неутрони, числото под стрелката е времето на полуразпад.

Натрупване на 239 Pu (ядрено гориво) в началото на работата на ядрен реактор се случва линейно във времето и по-бързо (с фиксирано изгаряне от 235 U ), толкова по-малко обогатяванеуран. След това концентрация 239 Pu клони към постоянна стойност, която не зависи от степента на обогатяване, а се определя от съотношението на напречните сечения на улавяне на неутрони 238 U и 239 Pu . Характерно време на установяване на равновесната концентрация 239 Pu ~ 3/ F години (F в единици 10 13 неутрона/ см 2 ?сек). Изотопи 240 Pu, 241 Pu достигат равновесна концентрация само когато горивото се изгаря повторно в ядрен реактор след регенерирането на ядреното гориво.

Изгарянето на ядрено гориво се характеризира с общата енергия, освободена в ядрен реактор на 1 Tгориво. За ядрени реактори, захранвани с естествен уран, максимално изгаряне ~ 10 gwt?ден/т(ядрени реактори с тежка вода). В ядрен реактор със слабо обогатенуран (2-3% 235 U ) изгаряне ~ 20-30 GW-ден/т.В ядрен реактор с бързи неутрони - до 100 GW-ден/т.Прегаряне 1 GW-ден/тсъответства на изгарянето на 0,1% ядрено гориво.

Когато ядреното гориво изгори, реактивността на ядрения реактор намалява (в ядрен реактор, работещ с естествен уран при ниско изгаряне настъпва известно повишаване на реактивността). Подмяната на изгорялото гориво може да се извърши веднага от цялата активна зона или постепенно по дължината на горивните пръти, така че в активната зона да има горивни пръти от всички възрасти - непрекъснат режим на зареждане (възможни са междинни варианти). В първия случай ядрен реактор със свежо гориво има излишна реактивност, която трябва да бъде компенсирана. Във втория случай такава компенсация е необходима само при първоначално стартиране, преди влизане в режим на продължително претоварване. Непрекъснатото презареждане позволява да се увеличи дълбочината на изгаряне, тъй като реактивността на ядрения реактор се определя от средните концентрации на делящи се нуклиди (TVEL с минимална концентрация на делящи се нуклиди се разтоварват) Таблица 2 показва състава на извлеченото ядрено гориво (във килограма) вреактор с вода под налягане мощност 3 Gwt.Цялата активна зона се разтоварва едновременно след работа на ядрения реактор за 3 годинии "откъси" 3 години(Ф = 3?1013 неутрона/cm2?sec). Начален състав: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Раздел. 2. - Съставът на разтовареното гориво, килограма

238 и т.н.................
Ядрена реакция (ЯР) - процес, при който ядрото на един атом се променя чрез раздробяване или комбиниране с ядрото на друг атом. Следователно трябва да доведе до превръщането на поне един нуклид в друг. Понякога, ако едно ядро ​​взаимодейства с друго ядро ​​или частица, без да променя природата на който и да е нуклид, процесът се нарича ядрено разсейване. Може би най-забележими са реакциите на светлинните елементи, които влияят върху производството на енергия от звездите и Слънцето. Естествени реакции възникват и при взаимодействието на космическите лъчи с материята. естествен ядрен реактор Най-забележителната контролирана от човека реакция е реакцията на делене, която протича в тези устройства за иницииране и контролиране на ядрена верижна реакция. Но има не само изкуствени реактори. Първият в света естествен ядрен реактор е открит през 1972 г. в Окло в Габон от френския физик Франсис Перин. Условията, при които може да се генерира естествената енергия на ядрена реакция, са предсказани през 1956 г. от Пол Казуо Курода. Единственото известно място в света се състои от 16 места, където са възникнали самоподдържащи се реакции от този тип. Смята се, че това е било преди около 1,7 милиарда години и е продължило няколкостотин хиляди години, както се вижда от изотопите на ксенона (газ, продукт на делене) и различни съотношения U-235/U-238 (обогатяване на естествен уран). Ядрено делене Графиката на енергията на свързване предполага, че нуклиди с маса над 130 a.m.u. трябва спонтанно да се отделят един от друг, за да образуват по-леки и по-стабилни нуклиди. Експериментално учените са открили, че реакциите на спонтанно делене на елементите на ядрена реакция възникват само за най-тежките нуклиди с масово число 230 или повече. Дори и това да се прави, става много бавно. Времето на полуразпад за спонтанно делене на 238 U например е 10-16 години, или около два милиона пъти повече от възрастта на нашата планета! Реакциите на делене могат да бъдат предизвикани чрез облъчване на проби от тежки нуклиди с бавни топлинни неутрони. Например, когато 235 U абсорбира топлинен неутрон, той се разпада на две частици с различна маса и освобождава средно 2,5 неутрона. Абсорбцията на 238 U неутрона предизвиква трептения в ядрото, които го деформират, докато се разпадне на фрагменти, точно както капка течност може да се разпадне на по-малки капчици. Повече от 370 дъщерни нуклида с атомни маси между 72 и 161 a.m.u. произведени чрез делене с термичния неутрон 235U, включително двата продукта, показани по-долу. Изотопи на ядрена реакция, като уран, претърпяват индуцирано делене. Но единственият естествен изотоп 235 U присъства в изобилие само 0,72%. Индуцираното делене на този изотоп освобождава средно 200 MeV на атом, или 80 милиона килоджаула на грам от 235 U. Привличането на ядреното делене като източник на енергия може да се разбере чрез сравняване на тази стойност с 50 kJ/g, освободени при природен газ е изгорен. Първи ядрен реактор Първият изкуствен ядрен реактор е построен от Енрико Ферми и пуснат в експлоатация от служители под футболния стадион на 2 декември 1942 г. Този реактор, който произвежда няколко киловата мощност, се състои от купчина от 385 тона графитни блокове, подредени на слоеве около кубична решетка от 40 тона уран и ураниев оксид. Спонтанното делене на 238 U или 235 U в този реактор произведе много малко неутрони. Но имаше достатъчно уран, така че един от тези неутрони индуцира 235 U, като по този начин освобождава средно 2,5 неутрона, което катализира деленето на допълнителни 235 U ядра във верижна реакция (ядрени реакции). Количеството делящ се материал, необходимо за поддържане на верижната реакция, се нарича Зелените стрелки показват разделянето на ядрото на урана на два фрагмента на делене, излъчващи нови неутрони. Някои от тези неутрони могат да предизвикат нови реакции на делене (черни стрелки). Някои от неутроните може да бъдат загубени при други процеси (сини стрелки). Червените стрелки показват забавени неутрони, които идват по-късно от радиоактивни фрагменти на делене и могат да предизвикат нови реакции на делене. Обозначаване на ядрени реакции Разгледайте основните свойства на атомите, включително атомен номер и атомна маса. Атомният номер е броят на протоните в ядрото на атома, а изотопите имат еднакъв атомен номер, но се различават по броя на неутроните. Ако са означени началните ядра аи б,и са означени ядрата на продукта си д,тогава реакцията може да бъде представена с уравнението, което можете да видите по-долу. Кои ядрени реакции се отменят за леки частици, вместо да се използват пълни уравнения? В много ситуации компактната форма се използва за описание на такива процеси: a (b, c) dеквивалентно на a+bпроизводство c + d.Леките частици често се свиват: обикновено строзначава протон, н-неутрон, д- дейтрон, α - алфа частица или хелий-4, β бета частица или електрон γ - гама фотон и др. Видове ядрени реакции Въпреки че броят на възможните подобни реакции е огромен, те могат да бъдат сортирани по тип. Повечето от тези реакции са придружени от гама лъчение. Ето няколко примера: Еластично разсейване. Възниква, когато не се прехвърля енергия между целевото ядро ​​и падащата частица. Нееластично разсейване. Възниква при пренос на енергия. Разликата в кинетичните енергии се запазва във възбудения нуклид. улавяне на реакции. Както заредените, така и неутралните частици могат да бъдат уловени от ядра. Това е придружено от излъчване на ɣ-лъчи. Частиците на ядрените реакции в реакцията на улавяне на неутрони се наричат ​​радиоактивни нуклиди (индуцирана радиоактивност). Трансферни реакции. Абсорбцията на частица, придружена от излъчване на една или повече частици, се нарича реакция на прехвърляне. Реакции на делене. Ядреното делене е реакция, при която ядрото на атома се разделя на по-малки части (по-леки ядра). Процесът на делене често произвежда свободни неутрони и фотони (под формата на гама лъчи) и освобождава големи количества енергия. Реакции на синтез. Възникват, когато две или повече атомни ядра се сблъскат с много висока скорост и се комбинират, за да образуват нов тип атомно ядро. Частиците от реакциите на ядрен синтез на деутерий-тритий са от особен интерес поради техния потенциал да осигуряват енергия в бъдеще. реакции на разделяне. Възниква, когато ядрото бъде ударено от частица с достатъчно енергия и инерция, за да избие няколко малки фрагмента или да го разбие на много фрагменти. реакции на пренареждане. Това е абсорбцията на частица, придружена от излъчване на една или повече частици: 197Au (p, d) 196mAu 4He (a, p) 7Li 27Al (a, n) 30P 54Fe (a, d) 58Co 54Fe(a, 2n) 56Ni 54Fe (32S, 28Si) 58Ni Различни реакции на пренареждане променят броя на неутроните и броя на протоните. ядрен разпад Ядрените реакции възникват, когато нестабилен атом губи енергия чрез радиация. Това е случаен процес на ниво отделни атоми, тъй като според квантовата теория е невъзможно да се предвиди кога отделен атом ще се разпадне. Има много видове радиоактивен разпад: Алфа радиоактивност. Алфа частиците се състоят от два протона и два неутрона, свързани заедно с частица, идентична на хелиево ядро. Поради много голямата си маса и заряд, той силно йонизира материала и има много малък обхват. Бета радиоактивност. Това са високоенергийни, високоскоростни позитрони или електрони, излъчени от определени видове радиоактивни ядра, като калий-40. Бета-частиците имат по-голям обхват на проникване от алфа-частиците, но все пак много по-малък от гама-лъчите. Изхвърлените бета частици са форма на йонизиращо лъчение, известно още като бета лъчи на ядрена верижна реакция. Производството на бета частици се нарича бета разпад. Гама радиоактивност. Гама лъчите са електромагнитно излъчване с много висока честота и следователно са фотони с висока енергия. Те се образуват, когато ядрата се разпадат, докато преминават от състояние с висока енергия към по-ниско състояние, известно като гама разпад. Повечето ядрени реакции са придружени от гама лъчение. Неутронна емисия. Неутронната емисия е вид радиоактивно разпадане на ядра, съдържащи излишни неутрони (особено продукти на делене), при което неутронът просто се изхвърля от ядрото. Този вид радиация играе ключова роля в контрола на ядрените реактори, тъй като тези неутрони се забавят. Енергия Q-стойността на енергията на ядрена реакция е количеството енергия, освободено или погълнато по време на реакцията. Нарича се или Q-стойност на реакцията. Тази енергия се изразява като разликата между кинетичната енергия на продукта и количеството на реагента. Общ изглед на реакцията: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), където хи хса реагенти и ги Y- реакционен продукт, който може да определи енергията на ядрена реакция, Q - енергиен баланс. Q-стойност NR означава енергията, освободена или погълната в реакцията. Нарича се още NR енергиен баланс, който може да бъде положителен или отрицателен в зависимост от характера. Ако Q-стойността е положителна, реакцията ще бъде екзотермична, наричана още екзоергична. Тя освобождава енергия. Ако Q-стойността е отрицателна, реакцията е ендоергична или ендотермична. Такива реакции се извършват чрез поглъщане на енергия. В ядрената физика такива реакции се определят от Q-стойността, като разликата между сумата от масите на първоначалните реагенти и крайните продукти. Измерва се в енергийни единици MeV. Помислете за типична реакция, при която снарядът аи предназначение Апо-ниска от два продукта би b. Това може да се изрази по следния начин: a + A → B + B или дори в по-компактна нотация - A (a, b) B. Видовете енергии в ядрена реакция и стойността на тази реакция се определят от формулата : Q = c2, което съвпада с излишната кинетична енергия на крайните продукти: Q = T крайно - T първоначално За реакции, при които се наблюдава повишаване на кинетичната енергия на продуктите, Q е положителен. Положителните Q-реакции се наричат ​​екзотермични (или екзогенни). Има нетно освобождаване на енергия, тъй като кинетичната енергия на крайното състояние е по-голяма от тази на първоначалното състояние. За реакции, при които се наблюдава намаляване на кинетичната енергия на продуктите, Q е отрицателно. Времето на полуразпад на радиоактивно вещество е характерна константа. Той измерва времето, необходимо на дадено количество материя да бъде намалено наполовина чрез разпадане и следователно радиация. Археолозите и геолозите използват периода на полуразпад до дата на органични обекти в процес, известен като въглеродно датиране. По време на бета разпада въглерод 14 се превръща в азот 14. В момента на смъртта организмите спират да произвеждат въглерод 14. Тъй като полуживотът е постоянен, съотношението на въглерод 14 към азот 14 осигурява мярка за възрастта на пробата. В областта на медицината източниците на енергия за ядрени реакции са радиоактивни изотопи на кобалт 60, който се използва за лъчева терапия за свиване на тумори, които по-късно ще бъдат отстранени хирургически, или за убиване на ракови клетки в неоперабилни тумори. Когато се разпада на стабилен никел, той излъчва две относително високи енергии - гама лъчи. Днес тя се заменя със системи за лъчетерапия с електронен лъч. Време на полуразпад на изотопи от някои проби: кислород 16 - безкраен; уран 238 - 4 460 000 000 години; уран 235 - 713 000 000 години; въглерод 14 - 5730 години; кобалт 60 - 5,27 години; сребро 94 - 0,42 сек. радиовъглеродно датиране При много постоянна скорост нестабилният въглерод 14 постепенно се разпада на въглерод 12. Съотношението на тези въглеродни изотопи разкрива възрастта на някои от най-старите жители на земята. Радиовъглеродното датиране е метод, който осигурява обективни оценки на възрастта на въглеродните материали. Възрастта може да бъде оценена чрез измерване на количеството въглерод 14 в пробата и сравняването му с международен стандарт. Въздействието на радиовъглеродното датиране върху съвременния свят го превърна в едно от най-значимите открития на 20-ти век. Растенията и животните асимилират въглерод 14 от въглероден диоксид през целия си живот. Когато умрат, те престават да обменят въглерод с биосферата и съдържанието на въглерод 14 в тях започва да намалява със скорост, определена от закона за радиоактивния разпад. Радиовъглеродното датиране е по същество метод за измерване на остатъчната радиоактивност. Като знаете колко въглерод 14 е останал в пробата, можете да разберете възрастта на организма, когато е умрял. Трябва да се отбележи, че резултатите от радиовъглеродното датиране показват кога организмът е бил жив. Основни методи за измерване на радиовъглерод Има три основни метода, използвани за измерване на въглерод 14 във всеки даден пропорционален брой на пробоотборника, течен сцинтилационен брояч и ускорителна масспектрометрия. Пропорционалното броене на газове е обща радиометрична техника за датиране, която взема предвид бета частиците, излъчени от дадена проба. Бета частиците са продукти на разпадане на радиовъглерод. При този метод въглеродната проба първо се преобразува в газ въглероден диоксид, преди да бъде измерена в газови пропорционални метри. Преброяването на сцинтилационна течност е друг метод за радиовъглеродно датиране, който беше популярен през 60-те години на миналия век. При този метод пробата е в течна форма и се добавя сцинтилатор. Този сцинтилатор създава светкавица, когато взаимодейства с бета частица. Епруветката с пробата се прекарва между два фотоумножителя и когато и двете устройства регистрират проблясък на светлина, се прави броене. Ползи от ядрената наука Законите на ядрените реакции се използват в широк спектър от отрасли на науката и технологиите, като медицина, енергетика, геология, космос и опазване на околната среда. Ядрената медицина и радиологията са медицински практики, които включват използването на радиация или радиоактивност за диагностициране, лечение и предотвратяване на заболявания. Докато радиологията се използва от почти век, терминът "нуклеарна медицина" започва да се използва преди около 50 години. Ядрената енергия се използва от десетилетия и е една от най-бързо развиващите се енергийни възможности за страните, които търсят енергийна сигурност и решения за пестене на енергия с ниски емисии. Археолозите използват широк набор от ядрени методи за определяне на възрастта на предметите. Артефакти като Торинската плащаница, свитъците от Мъртво море и короната на Карл Велики могат да бъдат датирани и удостоверени с помощта на ядрени методи. Ядрените техники се използват в земеделските общности за борба с болестите. Радиоактивните източници се използват широко в минната промишленост. Например, те се използват при безразрушителен контрол на запушвания в тръбопроводи и заварки, при измерване на плътността на щанцования материал. Ядрената наука играе ценна роля, като ни помага да разберем историята на нашата среда. Не намерихте отговор на въпроса си? Вижте тук Сюжетът на чичо ваня. „Чичо Иван. Отношение към професора на др Малкият Цахес, по прякор Цинобър Майков, Аполон Николаевич - кратка биография