Ядерні реакції: просто і зрозуміло. Ядерні реакції: види, закони

Рачек Марія, Есман Віталія, Вікторія Румянцева

Цей дослідницький проект виконаний учнями 9 класу. Він є випереджальним завданням щодо школярами теми " Будова атома і атомного ядра. Використання енергії атомних ядер " у курсі фізиці 9 класу. Метою проекту є з'ясування умов протікання ядерних реакцій та принципів роботи АЕС.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Муніципальна бюджетна загальноосвітня установа

Середня загальноосвітня школа №14

Ім'я Героя Радянського Союзу

Анатолія Перфільєва

р. Олександров

Дослідницька робота з фізики

«Ядерні реакції»

Виконали

учениці

9В класу:

Рачок Марія,

Вікторія Румянцева,

Есман Віталія

вчитель

Романова О.Г.

2015

План проекту

Вступ

Теоретична частина

• Атомна енергетика.

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Актуальність:

Однією з найважливіших проблем, які стоять перед людством, є енергетична проблема. Споживання енергії росте настільки швидко, що відомі нині запаси палива виявляться вичерпаними порівняно короткий час. Проблему «енергетичного голоду» не вирішує використання енергії так званих відновлюваних джерел (енергії річок, вітру, сонця, морських хвиль, глибинного тепла Землі), оскільки вони можуть забезпечити в кращому разі лише 5-10% наших потреб. У зв'язку з цим у середині ХХ століття виникла потреба пошуку нових джерел енергії.

В даний час реальний внесок в енергопостачання робить ядерна енергетика, а саме, атомні електростанції (скорочено АЕС). Тому ми вирішили з'ясувати, чи корисні людству АЕС.

Цілі роботи:

1. З'ясувати умови перебігу ядерних реакцій.
2. З'ясувати принципи роботи АЕС, а також дізнатися, чи добре чи погано впливає він на навколишнє середовище і на людину.

У рамках досягнення мети нами було поставлено такізавдання:

1. Дізнатися про будову атома, його склад, що таке радіоактивність.
2. Дослідити атом урану. Дослідити ядерну реакцію.
3. Дослідити принцип роботи ядерних двигунів.

Методи дослідження:

1. Теоретична частина - читання літератури про ядерні реакції.

Теоретична частина.

Історія атома та радіоактивності. Будова атома.

Припущення про те, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок, було висловлено давньогрецькими філософами Левкіппом і Демокрітом приблизно 2500 тисяч років тому. Ці частки отримали назви "атом", що означає "неподільні". Атом - це найдрібніша частка речовини, найпростіша, що не має складових частин.

Але приблизно з середини XIX століття стали з'являтися експериментальні факти, які ставили під сумнів уявлення про неподільність атомів. Результати цих експериментів наводили на думку, що атоми мають складну структуру і що до їх складу входять електрично заряджені частинки.

Найбільш яскравим свідченням складної будови атома стало відкриття явищарадіоактивності, зроблене французьким фізиком Анрі Беккерелем у 1896 році. Він виявив, що хімічний елемент уран мимовільно (тобто без зовнішніх взаємодій) випромінює раніше невідомі невидимі промені, які пізніше були названірадіоактивним випромінюванням. Оскільки радіоактивне випромінювання мало незвичайними властивостями, багато вчених зайнялися його дослідженням. Виявилося, що не тільки уран, а й деякі інші хімічні елементи (наприклад радій) теж мимоволі випускають радіоактивні промені. Здатність атомів деяких хімічних елементів до мимовільного випромінювання почали називати радіоактивністю (від латів. radio – випромінюю та activus – дієвий).

Беккерелю спала на думку: чи не супроводжується будь-яка люмінесценція рентгенівськими променями? Для перевірки своєї здогадки він взяв кілька сполук, у тому числі одну з солей урану, що фосфоресціює жовто-зеленим світлом. Освітивши її сонячним світлом, він загорнув сіль у чорний папір і поклав у темній шафі на фотопластинку, теж загорнутий у чорний папір. Через деякий час, виявивши платівку, Беккерель справді побачив зображення шматка солі. Але люмінесцентне випромінювання не могло пройти через чорний папір, і тільки рентгенівські промені могли в цих умовах засвітити платівку. Беккерель повторив досвід кілька разів та з однаковим успіхом. Наприкінці лютого 1896 року на засіданні Французької академії наук він зробив повідомлення про рентгенівське випромінювання фосфоресцентних речовин. Через деякий час у лабораторії Беккереля була випадково виявлена ​​платівка, на якій лежала уранова сіль, не опромінена сонячним світлом. Вона, природно, не фосфоресціювала, але відбиток на платівці вийшов. Тоді Беккерель почав випробовувати різні сполуки і мінерали урану (у тому числі фосфоресценції, що не виявляють), а також металевий уран. Платівка завжди засвічувалася. Помістивши між сіллю та платівкою металевий хрестик, Беккерель отримав слабкі контури хрестика на платівці. Тоді стало ясно, що відкриті нові промені, що проходять крізь непрозорі предмети, але не є рентгенівськими.

Своїм відкриттям Беккерель ділиться з вченими, з якими співпрацював. У 1898 р. Марія Кюрі та П'єр Кюрі виявили радіоактивність торію, пізніше ними були відкриті радіоактивні елементи полоній та радій. Вони з'ясували, що властивістю природної радіоактивності мають всі сполуки урану і найбільше сам уран. Беккерель повернувся до люмінофорів, що його цікавили. Щоправда, він зробив ще одне велике відкриття, що стосується радіоактивності. Одного разу для публічної лекції Беккерелю знадобилася радіоактивна речовина, він узяв його у подружжя Кюрі і поклав пробірку в жилетну кишеню. Прочитавши лекцію, він повернув радіоактивний препарат власникам, а наступного дня виявив на тілі під жилетною кишенею почервоніння шкіри у формі пробірки. Беккерель розповів про це П'єру Кюрі, і той поставив на собі досвід: протягом десяти годин носив прив'язану до передпліччя пробірку з радієм. Через кілька днів у нього теж з'явилося почервоніння, яке перейшло потім у тяжку виразку, від якої він страждав протягом двох місяців. Так вперше було відкрито біологічну дію радіоактивності.

У 1899 року у результаті досвіду, проведеного під керівництвом англійського фізика Ернеста Резерфорда, виявили, що радіоактивне випромінювання радію неоднорідно, тобто. має складний склад. У середині розташований потік (випромінювання), що не має електричного заряду, а з боків вишиковувалися 2 потоки заряджених частинок. Позитивно заряджені частинки назвали альфа-частинками, що є повністю іонізованими атомами гелію, а негативно заряджені – бета-частинки, що являють собою елетрони. Нейтральні отримали назву гамма-частинки або гамма-кванти. Гамма-випромінювання, як з'ясувалося пізніше, є одним з діапазонів електромагнітного випромінювання.

Оскільки відомо, що атом загалом нейтральний, явище радіоактивності дозволило вченим створити приблизну модель атома. Першим, хто це зробив, був англійський фізик Джозеф Джон Томсон, який створив одну з перших моделей атома у 1903 році. Модель була куля, по всьому обсягу якої був рівномірно розподілений позитивний заряд. Усередині кулі знаходилися електрони, кожен з яких міг здійснювати коливальні рухи біля свого положення рівноваги. Модель нагадувала за формою та будовою кекс із родзинками. Позитивний заряд дорівнює модулю сумарному негативному заряду електронів, тому заряд атома загалом дорівнює нулю.

Модель будови атома Томсона потребувала експериментальної перевірки, якою зайнявся 1911 року Резерфорд. Він провів досліди і дійшов висновку, що модель атома є кулею, в центрі якої розташовано позитивно заряджене ядро, що займає малий обсяг від усього атома. Навколо ядра рухаються електрони, маса яких значно менша. Атом електрично нейтральний, оскільки заряд ядра дорівнює сумарному модулю заряду електронів. Резерфорд також встановив, що атом атома має діаметр приблизно 10-14 – 10 -15 м, тобто. воно в сотні тисяч разів менше від атома. Саме ядро ​​зазнає змін при радіоактивних перетвореннях, тобто. радіоактивність – це здатність деяких атомних ядер мимоволі перетворюватися на інші ядра з випромінюванням частинок. Щоб зареєструвати (побачити) частинки, 1908 року німецький фізик Ганс Гейгер винайшов так званий лічильник Гейгера.

Пізніше позитивно заряджені частинки атомі отримали назву протонів, а негативні – нейтронів. Протони та нейтрони отримали загальну назву нуклони.

Розподіл урану. Ланцюжкова реакція.

Розподіл ядер урану під час його бомбардування нейтронами було відкрито 1939 року німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом.

Розглянемо механізм цього явища. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро ​​приходить у дію і деформується, набуваючи витягнутої форми.

У ядрі діє 2 види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, і ядерні сили тяжіння між усіма нуклонами, завдяки яким ядро ​​не розпадається. Але ядерні сили короткодіючі, тому у витягнутому ядрі вони не можуть утримати сильно віддалені друг від друга частини ядра. Під дією електростатичних сил ядро ​​розривається на дві частини, які розлітаються в різні боки з величезною швидкістю та випромінюють 2-3 нейтрони. Частина внутрішньої енергії перетворюється на кінетичну. Осколки ядра швидко гальмують у навколишньому середовищі, внаслідок чого їхня кінетична енергія переходить у внутрішню енергію середовища. При одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища та відповідно її температура зростають. Таким чином, реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище. Енергія колосальна. При повному розподілі всіх ядер, що є в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділиться при згорянні 2,5 т нафти. Для перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну використовують ланцюгові реакції поділу ядер, засновані на тому, що 2-3 нейтрони, що виділилися при розподілі першого ядра, можуть взяти участь у розподілі інших ядер, які їх захоплять. Для підтримки безперервності ланцюгової реакції важливо враховувати масу урану. Якщо маса урану дуже мала, то нейтрони вилітають за його межі, не зустрічаючи на своєму шляху ядро. Ланцюгова реакція припиняється. Чим більша маса шматка урану, тим більші його розміри і тим довший шлях, який проходять у ньому нейтрони. Імовірність зустрічі нейтронів із ядрами атомів зростає. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються. Число з'явилися після розподілу ядер нейтронів дорівнює кількості втрачених нейтронів, тому реакція може тривати тривалий час. Щоб реакція не припинялася, слід брати масу урану певного значення – критичну. Якщо маса урану більша критичної, то в результаті різкого збільшення вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху.

Ядерний реактор. ядерна реакція. Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну енергію.

Ядерний реактор - це пристрій, у якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор, названий СР-1, побудований у грудні 1942 року у США під керівництвом Е. Фермі. Наразі, за даними МАГАТЕ, у світі налічується 441 реактор у 30 країнах. Також ведеться будівництво ще 44 реакторів.

В ядерному реакторі як речовина, що ділиться використовується в основному уран-235. Такий реактор називається реактором на повільних нейтронах.Уповільнювач нейтронів можуть виступати різні речовини:

1. Вода . Переваги звичайної води як сповільнювача – її доступність та дешевизна. Недоліками води є низька температура кипіння (100 °C при тиску 1 атм) та поглинання теплових нейтронів. Перший недолік усувається підвищенням тиску першому контурі. Поглинання теплових нейтронів водою компенсують застосуванням ядерного палива на основі збагаченого урану.
2. Тяжка вода . Важка вода за своїми хімічними та теплофізичними властивостями мало відрізняється від звичайної води. Вона практично не поглинає нейтронів, що дає можливість використовувати як ядерне паливо природний уран у реакторах з важководним сповільнювачем. Недоліком важкої води є висока вартість.
3. Графіт . Реакторний графіт отримують штучно із суміші нафтового коксу та кам'яновугільної смоли. Спочатку із суміші пресують блоки, а потім ці блоки термічно обробляють при високій температурі. Графіт має густину 1,6-1,8 г/см3. Він сублімує за температури 3800-3900 °C. Нагрітий у повітрі до 400 ° C графіт спалахує. Тому в енергетичних реакторах він міститься у атмосфері інертного газу (гелій, азот).
4. Берилій . Один із найкращих сповільнювачів. Він має високу температуру плавлення (1282 °C) та теплопровідність, сумісний з вуглекислим газом, водою, повітрям та деякими рідкими металами. Однак у пороговій реакції виникає гелій, тому при інтенсивному опроміненні швидкими нейтронами всередині берилію накопичується газ, під тиском якого берилій розпухає. Застосування берилію обмежене також його високою вартістю. Крім того, берилій та його сполуки дуже токсичні. З берилію виготовляють відбивачі та витіснячі води в активній зоні дослідницьких реакторів.

Частини реактора на повільних нейтронах: в активній зоні розташоване ядерне паливо у вигляді уранових стрижнів та уповільнювач нейтронів (наприклад, вода), відбивач (шар речовини, що оточує активну зону) та захисна оболонка з бетону. Для управління реакцією служать стрижні, що регулюють, ефективно поглинають нейтрони. Для запуску реактора їх поступово виводять із активної зони. Утворені в процесі цієї реакції нейтрони та уламки ядер, розлітаючись з великою швидкістю, потрапляють у воду, стикаються з ядрами атомів водню та кисню, віддають їм частину своєї кінетичної енергії. Вода при цьому нагрівається, а уповільнені нейтрони через якийсь час знову потрапляють в уранові стрижні та беруть участь у розподілі ядер. Активна зона труб з'єднується з теплообмінником, утворюючи перший замкнутий контур. Насоси забезпечують циркуляцію води. Нагріта вода проходить через теплообмінник, нагріває воду в змійовику другого контуру і перетворює її на пару. Таким чином, вода в активній зоні служить не тільки сповільнювачем нейтронів, а й теплоносієм, що відводить тепло. Після енергія пари в змійовику перетворюється на електричну енергію. За допомогою пари обертається турбіна, яка надає руху ротору генератора електричного струму. Відпрацьована пара надходить у конденсатор і перетворюється на воду. Потім цикл повторюється.

Ядерний двигунвикористовує енергію поділу чи синтезу ядер до створення реактивної тяги. Традиційний ЯД в цілому є конструкцією з ядерного реактора і власне двигуна. Робоче тіло (частіше аміак або водень) подається з бака в активну зону реактора, де, проходячи через нагріті реакцією ядерного розпаду канали, розігрівається до високих температур і потім викидається через сопло, створюючи реактивну тягу.

Атомна енергетика.

Атомна енергетика- сфера техніки, заснована на використанні реакції поділу атомних ядер для вироблення теплоти та виробництва електроенергії. Ядерний сектор енергетики найзначніший мови у Франції, Бельгії, Фінляндії, Швеції, Болгарії та Швейцарії, тобто. у тих промислово розвинених країнах, де недостатньо природних енергоресурсів. Ці країни виробляють від чверті до половини своєї електроенергії на АЕС.

Перший європейський реактор було створено 1946 року у Радянському Союзі під керівництвом Ігоря Васильовича Курчатова. У 1954 році в Обнінську було введено в дію першу АЕС. Переваги АЕС:

1. Головна перевага - практична незалежність від джерел палива через невеликий обсяг палива, що використовується. У Росії це особливо важливо в європейській частині, оскільки доставка вугілля із Сибіру надто дорога. Експлуатація АЕС коштує значно дешевше, ніж ТЕС. Щоправда, будівництво ТЕС дешевше, ніж будівництво АЕС.
2. Величезною перевагою АЕС є її відносна екологічна чистота. На ТЕС сумарні річні викиди шкідливих речовин становлять приблизно 13 000 т на рік на газових та 165 000 т на пилокутних ТЕС. Подібних викидів на АЕС немає. ТЕС споживає 8 мільйонів т кисню на рік для окислення палива, АЕС не споживають кисню взагалі. Крім того, більшу питому викид радіоактивних речовин дає вугільна станція. У вугіллі завжди містяться природні радіоактивні речовини, при спалюванні вугілля вони практично повністю потрапляють у зовнішнє середовище. Більшість радіонуклідів із ТЕС довгоживуть. Більшість радіонуклідів з АЕС досить швидко розпадається, перетворюючись на нерадіоактивні.
3. Для більшості країн, у тому числі й Росії, виробництво електроенергії на АЕС не дорожче, ніж на пиловугільних та тим паче газомазутних ТЕС. Особливо помітна перевага АЕС у вартості електроенергії, що виробляється, під час так званих енергетичних криз, що почалися з початку 70-х років. Падіння нафтових цін автоматично знижує конкурентоспроможність АЕС.

Застосування ядерних двигунів у сучасності.

З розвитком ядерної фізики дедалі виразніше вимальовувалася перспектива створення атомних енергетичних установок. Перший практичний крок у цьому напрямі зробив Радянський Союз, де у 1954г. було побудовано атомну електростанцію.

У 1959р. під прапором СРСР вступило в дію перше у світі атомне судно – криголам «Ленін», який успішно проводив каравани торгових суден у важких умовах Заполяр'я.

В останні роки XIX століття заступили на арктичну вахту потужні радянські атомні криголами «Арктика» та «Сибір».

Особливо великі можливості атомна енергетика відкрила для підводних човнів, дозволивши вирішити дві найактуальніші проблеми - збільшення підводної швидкості та збільшення тривалості плавання під водою без випливання. Адже найдосконаліші дизель-електричні підводні човни не можуть розвинути під водою понад 18-20 уз, та й цю швидкість підтримують лише близько години, після чого змушені випливати для заряджання акумуляторних батарей.

У разі за вказівкою ЦК КПРС і Радянського уряду нашій країні у найкоротший термін було створено атомний підводний флот. Радянські підводні атомоходи неодноразово перетинали Північний Льодовитий океан під льодами, виринали в районі Північного полюса. Напередодні XXIII з'їзду КПРС група атомних підводних човнів здійснила кругосвітнє плавання, пройшовши близько 22 тис. миль під водою без спливу.

Основною відмінністю атомного підводного човна від паросилового є заміна парового котла реактором, в якому здійснюється регульована ланцюгова реакція поділу атомів ядерного палива з виділенням тепла, що використовується для отримання пари в парогенераторі.

Атомна установка створила для підводних човнів реальну перспективу не лише зрівнятися у швидкості з надводними кораблями, а й перевершити їх. Як ми знаємо, у зануреному стані підводний човен не відчуває хвильового опору, на подолання якого швидкохідні надводні водоймні кораблі витрачають більшу частину потужності енергетичної установки.

Біологічна дія радіації.

Радіація за своєю природою шкідлива для життя. Малі дози опромінення можуть "запустити" не до кінця ще вивчений ланцюг подій, що призводять до раку або генетичних ушкоджень. При великих дозах радіація може руйнувати клітини, пошкоджувати тканини органів та стати причиною швидкої загибелі організму. Ушкодження, викликані великими дозами опромінення, зазвичай виявляються протягом кількох годин чи днів. Ракові захворювання, проте, виявляються через багато років після опромінення, - як правило, не раніше, ніж через одне-два десятиліття. А вроджені вади розвитку та інші спадкові хвороби, що викликаються ушкодженням генетичного апарату, за визначенням виявляються лише в наступному або наступних поколіннях: це діти, онуки та більш віддалені нащадки індивідуума, що зазнав опромінення.

Залежно від виду випромінювань, дози опромінення та його умов можливі різні види променевого ураження. Це гостра променева хвороба (ОЛБ) – від зовнішнього опромінення, ОЛБ – від внутрішнього опромінення, хронічна променева хвороба, різні клінічні форми з переважно локальним ураженням окремих органів, які можуть характеризуватись гострим, підгострим або хронічним перебігом; це віддалені наслідки, серед яких найістотніше виникнення злоякісних пухлин; дегенеративні та дистрофічні процеси (катаракта, стерильність, склеротичні зміни). Сюди відносять генетичні наслідки, які спостерігаються у нащадків опромінених батьків. Іонізуючі випромінювання, що викликають їх розвиток, завдяки високій проникаючій здатності впливають на тканини, клітини, внутрішньоклітинні структури, молекули і атоми в будь-якій точці організму.

Живі істоти на вплив випромінювань реагують по-різному, причому розвиток променевих реакцій багато в чому залежить від дози випромінювань. Тому доцільно розрізняти: 1) вплив малих доз приблизно до 10 рад; 2) вплив середніх доз, які зазвичай застосовуються з терапевтичними цілями, які межують своєю верхньою межею з впливом високих доз. При дії випромінюванні розрізняють реакції, що виникають негайно, ранні реакції, і навіть пізні (віддалені) прояви. Кінцевий результат опромінення часто залежить від потужності дози, різних умов опромінення і особливо від природи випромінювань. Це стосується також сфери застосування випромінювань у клінічній практиці з лікувальними цілями.

Радіація по-різному діє на людей залежно від статі та віку, стану організму, його імунної системи тощо, але особливо сильно – на немовлят, дітей та підлітків.

Рак – найсерйозніше з усіх наслідків опромінення людини при малих дозах. Великі обстеження, що охопили 100000 людей, які пережили атомні бомбардування Хіросіми і Нагасакі, показали, що поки що рак є єдиною причиною підвищеної смертності в цій групі населення.

Висновок.

Провівши дослідження, ми з'ясували, що ядерне паливо та ядерні двигуни приносять величезну користь людині. Завдяки ним людина знайшла дешеві джерела тепла та енергії (одна АЕС замінює людині кілька десятків, а то й сотень звичайних ТЕС), змогла потрапити через льоди на Північний Полюс і опуститися на дно океану. Але це працює лише тоді, коли правильно застосовується, тобто. у потрібній кількості і тільки в мирних цілях. Чимало було зареєстровано випадків вибухів АЕС (Чорнобиль, Фукусіма) та вибухів атомних бомб (Хіросіма та Нагасакі).

Але від наслідків радіоактивних відходів ніхто не захищений. Багато людей страждають від променевих хвороб та раку, спричинених радіоактивним випромінюванням. Але ми вважаємо, що за кілька років вчені придумають методи утилізації радіоактивних відходів без шкоди здоров'я та винайдуть ліки від цих хвороб.

Список використаної літератури.

1. А. В. Перишкін, Є. М. Гутник. "Підручник з фізики для 9 класу".
2. Г. Кеслер. "Ядерна енергетика".
3. Р. Г. Перельман. "Ядерні двигуни".
4. Еге. Резерфорд. «Вибрані наукові праці. Будова атома та штучне перетворення».
5. https://ua.wikipedia.org

Попередній перегляд:

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього:

РЕАКЦІЇ ЯДЕРНІ У ПРИРОДІ - поділяються на 2 класи: термоядерні реакції та реакції під дією ядерноактивних частинок та поділу ядер. Перші вимагають для свого здійснення температуру ~ кілька млн. градусів і протікають лише в надрах зірок або вибухів H-бомб. Другі відбуваються в атмосфері та літосфері за рахунок космічного опромінення та за рахунок ядерноактивних частинок у верхніх оболонках Землі. Швидкі космічні частинки (середня енергія ~2 10 9 ев), потрапляючи в атмосферу Землі, нерідко викликають повне розщеплення атомів атмосфери (N, О) на більш легкі ядерні уламки, включаючи нейтрони.Швидкість утворення останніх досягає величини 2,6 нейтрону (см -2 с -1). Нейтрони взаємодіють переважно з N атмосфери, забезпечуючи постійне утворення радіоактивних ізотопіввуглецю С 14 (T 1/2 = 5568 років) та тритію H 3 (T 1/2 = 12,26 років) за наступними реакціями N 14 + п= З 14 + Н 1; N 14 + n= З 12 + Н3. Щорічне утворення радіовуглецю у земній атмосфері становить близько 10 кг. Відзначено також утворення в атмосфері радіоактивних Be 7 та Cl 39 . Реакції ядерні в літосфері відбуваються в основному за рахунок α-часток і нейтронів, що виникають при розпаді радіоактивних елементів, що довго живуть (в основному U і Th). Слід зазначити накопичення Не 3 деяких м-лах, що містять Li (див. Ізотопи гелію в геології),утворення окремих ізотопів неону в евксеніті, монациті та ін. М-лах за реакціями: Про 18 + Не 4 = Ne 21 + п; Fe 19 + Не = Na 22 + п; Na 22 → Ne 22 . Утворення ізотопів аргону в радіоактивних м-лах за реакціями: Cl 35 + Не = Ar 38 + n; Cl 35 + Не = К 38 + Н 1; До 38 → Ar 38 . При спонтанному та нейтронно-індукованому поділі урану спостерігається утворення важких ізотопів криптону та ксенону. (Див. Метод визначення абсолютного віку ксеноновий).У м-лах літосфери штучне розщеплення атомних ядер викликає накопичення деяких ізотопів у кількості 10 -9 -10 -12 % маси м-ла.

Геологічний словник: у 2-х томах. - М: Надра. За редакцією К. Н. Паффенгольця та ін.. 1978 .

Дивитися що таке "РЕАКЦІЇ ЯДЕРНІ У ПРИРОДІ" в інших словниках:

Ядерна фізика Атомне ядро ​​· Радіоактивний розпад · Ядерна реакція Основні терміни Атомне ядро ​​· Ізотопи · Ізобари · Період напіврозпаду · Ма … Вікіпедія

Ядерні реакції між легенями ат. ядрами, що протікають при дуже високих темпах (=108К і вище). Високі темп ри, т. е. досить великі відносні енергії ядер, що стикаються, необхідні для подолання електростатич. бар'єру, … Фізична енциклопедія

Хім. перетворення і ядерні процеси, в яких поява проміжної активної частки (вільного радикала, атома, збудженої молекули в хімічних перетвореннях, нейтрона в ядерних процесах) викликає ланцюг перетворень вихідних у ст. Приклади хім. Ц. р. Хімічна енциклопедія

Один із нових напрямків совр. геол. науки, що тісно змикається з суміжними розділами фізики атомного ядра, геохімії, радіохімії, геофізики, космохімії та космогонії та охоплює складні проблеми природної еволюції атомних ядер у природі та… Геологічна енциклопедія

Стабільні та радіоактивні ізотопи, що утворюються в природних об'єктах під дією космічного випромінювання, напр., за схемою: XАz + Р → YAZ + an + bр, в якій А = A1 + an + (b 1) р; Z = Z1. + (b 1) p, де ХAz вихідне ядро, Р швидкий ... Геологічна енциклопедія

Термоядерний синтез, реакція злиття легких атомних ядер у важчі ядра, що відбувається при надвисокій температурі і супроводжується виділенням величезних кількостей енергії. Ядерний синтез – це реакція, обернена до поділу атомів: в останній… … Енциклопедія Кольєра

Ядерні процеси Радіоактивний розпад Альфа розпад Бета розпад Кластерний розпад Подвійний бета розпад Електронний захоплення Подвійне електронне захоплення Гамма випромінювання Внутрішня конверсія Ізомерний перехід Позитронний розпад…

94 Нептуній ← Плутоній → Америці Sm Pu … Вікіпедія

Ядерна фізика … Вікіпедія

Книги

• Одержання ядерної енергії та рідкісних та дорогоцінних металів внаслідок ядерних перетворень. Енергія зв'язку та потенційна енергія електричної взаємодії електричних зарядів у нейтроні, дейтроні, тритії, гелії-3 та гелії-4
• Одержання ядерної енергії та рідкісних та дорогоцінних металів внаслідок ядерних перетворень. Енергія зв'язку та потенційна енергія електричної взаємодії електричних зарядів у нейтроні, дейтр, Ларін В.І.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічним та екзотермічним.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є розподіл ядра. Терміни розпад ядра і розподіл ядра означають різні типи реакцій [ ].

1. Історія

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція проходила за схемою

.

2. Закони збереження при ядерних реакціях

Під час ядерних реакцій виконуються загальні закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду.

З іншого боку, існує низка особливих законів збереження, властивих ядерної взаємодії, наприклад, закон збереження барионного заряду.

3. Енергетичний вихід ядерної реакції

Якщо сума мас спокою частинок реакції більше суми мас спокою частинок після реакції, то така реакція відбувається з виділенням енергії. Таку енергію називають енергетичним виходом ядерної реакції. Енергетичний вихід ядерної реакції обчислюється за формулою ΔE = Δmc 2, де Δm - дефект маси c - швидкість світла .

4. Види ядерних реакцій

4.1. Ядерні реакції синтезу

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, важчі ядра.

Зазвичай реакції синтезу можливі лише за умов, коли ядра мають велику кінетичну енергію, оскільки сили електростатичного відштовхування перешкоджають зближенню однаково заряджених ядер, створюючи так званий кулонівський бар'єр.

Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок, в яких іони, протони або α-частинки прискорюють електричним полем, або термоядерних реакторів, де іони речовини набувають кінетичної енергії за рахунок теплового руху. В останньому випадку йдеться про реакцію термоядерного синтезу.

4.1.1. Ядерний синтез у природі

У природі реакції синтезу почалися перші хвилини після Великого вибуху. Під час первинного нуклеосинтезу з протонів утворилися лише деякі легкі ядра (дейтерію, гелію, літію).
Зараз ядерні реакції відбуваються в ядрах зірок, наприклад, у Сонці. Основним процесом є утворення ядра гелію з чотирьох протонів, що може відбуватися або у протон-протонному ланцюжку, або у циклі Бете-Вайцзекера.

У зірках, маса яких перевищує половину M ☉ , можуть утворюватися й інші, важчі елементи. Цей процес починається з утворення ядер вуглецю в потрійній α-реакції. Ядра, що утворюються, взаємодіють з протонами і α-частинками і, таким чином, утворюються хімічні елементи до залізного піку.

Утворення важких ядер (від заліза до Вісмут) відбувається в оболонках досить масивних зірок на стадії червоного гіганта здебільшого завдяки s-процесу і, частково, завдяки p-процесу. Наважчі (нестабільні) ядра утворюються під час спалахів наднових.

4.2. Ядерні реакції розпаду

Реакціями розпаду зумовлено альфа- та бета-радіоактивність. При альфа-розпаді з ядра вилітає альфа-частка 4 He, а масове число та зарядове числа ядра змінюються на 4 і 2 відповідно. При бета-розпаді з ядра вилітає електрон або позитрон, масове число ядра не змінюється, а збільшується зарядове або зменшується на 1. Обидва типи розпаду відбуваються спонтанно.

4.3. Поділ ядра

Невелика кількість ізотопів здатна до поділу - реакції при якій ядро ​​ділиться на дві великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно,так і вимушено- під впливом інших частинок, переважно - нейтронів.

Року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанному поділу(на два легких ядра) з виділенням ~ 200 МеВ енергії та випромінюванням двох-трьох нейтронів, але і до вимушеного поділу,ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу також випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається в природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а реакції розподілу здатний тільки уран-235, якого в природному урані міститься всього 0,7%.

Механізм ядерної реакції поділу ось у чому. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається півонія -нуклонна взаємодія), мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами в ядрі, особливо багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів в ядрі це викликає асиметрію щільності ядерних сил і подальшу асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, і асиметрію енергії за обсягом ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від кулястої. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро ​​розпадається на легші ядра, асиметричні по масі.

Іноді ядро ​​може тунелювати у стан із меншою енергією.

5. Ядерні реакції у житті людини

5.1. Атомна бомба

Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер у ХХ столітті почали застосовувати в атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції необхідно мати критичну масу (масу, необхідну для розвитку ланцюгової реакції), то для здійснення атомного вибуху кілька частин з масами менше критичної, з'єднуються, утворюється надкритична маса і в ній виникає ланцюгова реакція поділу, що супроводжується вивільненням великої кількості енергії – відбувається атомний вибух.

5.2. Ядерний реактор

Для перетворення теплової енергії розпаду ядер електричну енергію використовують ядерний реактор. Як паливо в реакторі застосовується суміш ізотопів урану-235 та урану-238 або плутоній-239. При попаданні швидких нейтронів до ядра атома урану-238 відбувається його перетворення на плутоній -239 та його наступний розпад із вивільненням енергії. Процес може бути циклічним, проте для цього необхідні реактори, що працюють на швидких нейтронах. Нині як основний компонент у реакторах застосовується нуклід урану-235. Для його взаємодії зі швидкими нейтронами необхідне їхнє уповільнення. Як сповільнювач застосовують:

За типом води, що використовується в реакторах, D 2 O або H 2 O, реактори діляться на важководнихі легководянівідповідно. У важководних реакторах як пальне використовується нуклід урану-238, у легководяних – Уран-235. Для управління реакцією розпаду та її припинення застосовують регулювальні стрижні, що містять ізотопи бору або кадмію. Енергію, що виділяється під час ланцюгової реакції поділу, виводить теплоносій. Тому він нагрівається, і при попаданні у воду він нагріває її, перетворюючи на пару (часто теплоносієм є сама вода). Пара обертає парову турбіну, що обертає ротор генератора змінного струму.

Це незавершена стаття фізики. Ви можете проектувати,

ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ
Ядерні реакції-перетворенняатомних ядер при взаємодії з ін. ядрами,елементарними частинкамичи квантами. Таке визначення розмежовує власне ядерніреакції та процеси мимовільного перетворення ядер при радіоактивному розпаді (див.Радіоактивність), хоча в обох випадках йдеться про утворення нових ядер.
Ядерніреакції здійснюють під дією налітаючих, або бомбардуючих частинок (нейтрони п, протони р, дейтрони d, електрони е, ядра атомів різних. елементів) чи квантів, якими опромінюють більш важкі ядра, які у мішені. За енергіями бомбардуючих частинок умовно розрізняють ядерніреакції при низьких (< 1 МэВ), средних (1-100 МэВ) и высоких (>100 МеВ) енергії. Розмежовують р-ції на легких ядрах (масове число ядра мішені А< 50), ядрах ср. массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Ядернареакція може статися, якщо дві беруть участь у ній частинки зближуються на відстань, меншу за діаметр ядра (близько 10 -13 см), тобто на відстань, при якому діють сили внутрішньоядерного взаємодіють. між складовими ядра нуклонами. Якщо обидві беруть участь у ядернійреакції частинки - і бомбардуюча, і ядро ​​мішені - заряджені позитивно, то зближенню частинок перешкоджає сила відштовхування двох покладених. зарядів, і бомбардуюча частка повинна подолати т.зв. кулонівський потенційний бар'єр. Висота цього бар'єру залежить від заряду частки, що бомбардує, і заряду ядра мішені. Для ядер, що відповідаютьатомам із пор. значеннямиатомного номера , і бомбардуючих частинок із зарядом +1, висота бар'єру становить близько 10 МеВ. У разі, якщо в ядернійреакції беруть участь частки, що не володіють зарядом (нейтрони ), кулонивський потенційний бар'єр відсутній, та ядерніреакції можуть протікати за участю частинок, що мають теплову енергію (тобто енергію, що відповідає тепловим коливанням)атомів ).
Обговорюється можливість протікання ядернихреакцій не в результаті бомбардування ядер мішені налітаючими частинками, а за рахунок надсильного зближення ядер (тобто зближення на відстані, порівняні з діаметром ядра), що знаходяться в твердійматриці або на поверхнітвердого тіла (напр., за участю ядератомів газу дейтерію , розчиненого впаладії ); поки що (1995) надійних даних про здійснення таких ядернихреакцій ("холодного термоядерного синтезу") немає.
Ядерніреакції підкоряються тим самим загальним законам природи, як і звичайні хім. реакції (закон збереження масита енергії, збереження заряду, імпульсу). Крім того, при протіканні ядернихреакцій діють і деякі специфічні закони, які не виявляються в хім. реакціях, наприклад, закон збереження баріонного заряду (баріони - важкіелементарні частки).
Записувати ядерніреакції можна так, як це показано на прикладі перетворення ядер Рu в ядра Кu при опроміненні плутонієвої мішені ядраминеона:

З цього запису видно, що суми зарядів ліворуч і праворуч (94 + 10 = 104) та сумимасових чисел (242+22=259+5) рівні між собою. символ хім. елемента однозначно вказує на його атомний номер (заряд ядра), то при записі ядернихреакцій значення заряду часток зазвичай не вказують. Найчастіше ядерніреакції записують коротше. Так, ядернуреакцію утворення радіонукліду 14 С при опроміненні ядер 14 Nнейтронами записують так: 14 N(n, р) 14 С.
У дужках вказують спочатку бомбардуючу частинку або квант, потім, через кому, легкі частинки, що утворюються, або квант. Відповідно до такого способу записи розрізняють (n, р), (d, р), (п, 2п) та ін.реакції .
При зіткненні одних і тих же ядерних частинокреакції можуть йти у різний спосіб. Наприклад, при опроміненні алюмінієвої мішенінейтронами можуть протікати слід. ядерніреакції : 27 А1(n,) 28 А1, 27 А1(n, n) 27 А1, 27 А1(n, 2n) 26 А1, 27 А1(n, p) 27 Mg, 27 Al(n,) 24 Na та ін Сукупність часток, що стикаються, називають вхідним каналом ядерної.реакції , а частинки, що народжуються в результаті ядерноїреакції , утворюють вихідний канал
Ядерніреакції можуть протікати з виділенням та поглинанням енергії Q. Якщо у загальному вигляді записати ядернуреакцію як А(a, b)В, то для такої ядерноїреакції енергія дорівнює: Q = [(М А + М а) - (М в + М b)] x з 2 де М -маси що беруть участь в ядернійреакції частинок; с – швидкість світла. На практиці зручніше користуватися значеннямидефектів мас дельта М (див. Ядро атомне ), тоді вираз для обчислення Q має вигляд: причому з міркування зручності зазвичай виражають у кілоелектронвольтах (кеВ, 1 а. е. м. = 931 501,59 кеВ = 1,492443 х 10 -7 кДж).
Зміна енергії, якою супроводжується ядернареакція може в 10 6 разів і більше перевищувати енергію, що виділяється або поглинається при хімічному. реакціях. Тому при ядернійреакції стає помітною зміна мас взаємодіючих ядер: енергія, що виділяється або поглинається, дорівнює різниці сум мас частинок до і після ядерноїреакції . Можливість виділення величезних кількостей енергії при здійсненні ядернихреакцій лежить в основі ядерноїенергетики . Дослідження співвідношень між енергіями частинок, що беруть участь у ядернихреакціях , а також співвідношень між кутами, під якими відбувається розліт частинок, що утворюються, становить розділ ядерної фізики - кінематику ядерних реакцій.
Механізми ядерних реакцій .
Характер взаємодії частки, що налітає, з ядром мішені залежить від індивідуальних властивостей взаємодіючих частинок і енергії частки, що налітає. Частина, що налітає, може увійти в ядро ​​мішені і вилетіти з нього, лише змінивши свою траєкторію. Це явище зв. пружною взаємодією (або пружним розсіюванням). У наведеному вище прикладі за участю ядер 27 А1 йому відповідає ядернареакція 27 А1(п, п) 27 А1. Нуклон частки, що бомбардує, потрапивши в ядро, може зіткнутися з нуклоном ядра. Якщо при цьому енергія одного або обох нуклонів виявиться більше, ніж енергія, потрібна для вильоту з ядра, вони обидва (або хоча б один з них) покинуть ядро. Це так званий прямий процес. Час, протягом якого він протікає, відповідає часу, протягом якого бомбардуюча частка проходить простір, займане ядром мішені. За оцінкою, воно дорівнює близько 10 -22 с. Прямий процес можливий при високих енергіях частки, що бомбардує.
При середніх та невисоких енергіях бомбардуючої частки її надмірна енергія перерозподіляється між багатьма нуклонами ядра. Відбувається це за час 10-15-10-16 с. Цей час відповідає часу життя так званого складового ядра ядерної системи, що утворюється в ході ядерної системи.реакції в результаті злиття частки, що налітає, з ядром-мішенню. За цей період надлишкова енергія, отримана складовим ядром від частки, що налетіла, перерозподіляється. Вона може сконцентруватися на одному або кількох нуклонах, що входять до складу ядра. В результаті складене ядро ​​випускає, напр., Дейтрон d, тритон t або частинку.
Якщо ж енергія, привнесена в складове ядро ​​налітаючою частинкою, виявилася меншою за висоту потенційного бар'єру, який повинна подолати легка частка, що вилітає зі складеного ядра, то в цьому випадку складове ядро ​​випускає квант (радіаційне захоплення). В результаті розпаду складеного ядра утворюється відносно важке нове ядро, яке може виявитися як в основному, так ізбудженому стані. В останньому випадку відбуватиметься поступовий перехід збудженого ядра до основного стану.

Ефективний перетин ядерних реакцій .

На відміну від більшості хімічних реакцій, при яких вихідні речовини, взяті в кількостях стехіометричних, реагують між собою націло, ядернуреакцію викликає лише невелика частка всіх бомбардуючих частинок, що впали на мішень. Це тим, що ядро ​​займає мізерно малу частину обсягуатома , Отже можливість зустрічі налітаючої частки, що проходить через мета, з ядроматома дуже мала. Кулонівський потенційний бар'єр між налітаючою часткою і ядром (при їхньому однаковому заряді) також перешкоджає ядернійреакції . Для кількостей. характеристики ймовірності протікання ядерноїреакції використовують поняття ефективного перерізу а. Воно характеризує ймовірність переходу двох зіштовхуються частинок у певний кінцевий стан і дорівнює відношенню числа таких переходів в одиницю часу до бомбардуючих частинок, що проходять в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярну до напрямку їх руху. Ефективний переріз має розмірність площі і по порядку величини можна порівняти з площею поперечного перерізуатомних ядер (близько 10 -28 м 2). Раніше використовувалася позасистемна одиниця ефективного перерізу – барн (1 барн = 10 –28 м 2 ).
Реальні значення для різних ядернихреакцій змінюються у межах (від 10 -49 до 10 -22 м 2 ). Значення залежить від природи бомбардуючої частинки, її енергії, і, особливо великою мірою, від властивостей ядра, що опромінюється. У разі опромінення ядернейтронами при варіюванні енергіїнейтронів можна спостерігати т. зв. резонансне захопленнянейтронів , який характеризується резонансним перетином Резонансне захоплення спостерігається, коли кінетична енергіянейтрону близька до енергії одного із стаціонарних станів складеного ядра. Перетин, що відповідає резонансному захопленню бомбардуючої частки, може на кілька порядків перевищувати нерезонансний переріз.
Якщо бомбардувальна частка здатна викликати протікання ядерноїреакції по кількох каналах, то суму ефективних перерізів різних процесів, що відбуваються з даним ядром, що опромінюється, часто називають повним перерізом.
Ефективні перерізи ядернихреакцій для ядер різнихізотопів к.-л. елементи часто дуже різняться між собою. Тому при використанні сумішіізотопів для здійснення ядерноїреакції потрібно враховувати ефективні перерізи для кожногонукліда з урахуванням його поширеності у сумішіізотопів.
Виходи ядерних реакцій
Виходи ядерних реакцій -відношення числаактів ядерних реакцій до частинок, що впали на одиницю площі (1 см 2) мішені, зазвичай не перевищують 10 -6 -10 -3 . Для тонких мішеней (спрощено тонкою можна назвати мішень, при проходженні через яку потік частинок, що бомбардують помітно не слабшає) вихід ядерноїреакції пропорційний числу частинок, що потрапляють на 1 см 2 поверхні мішені, кількості ядер, що містяться в 1 см 2 мішені, а також значенню ефективного перерізу ядерноїреакції . Навіть при використанні такого потужного джерела частинок, що налітають, яким є ядерний реактор, протягом 1 год вдається, як правило, отримати при здійсненні ядернихреакцій під дією нейтронів не більше кількох мгатомів , що містять нові ядра. Зазвичай маса речовини, отриманої в тій чи іншій ядернійреакції , значно менше.

Бомбардуючі частинки.
Для здійснення ядернихреакцій використовують нейтрони n, протони р, дейтрони d, тритони t, частки, важкііони (12 С, 22 Ne, 40 Ar та ін),електрони е та кванти. Джереламинейтронів (див. Нейтронні джерела)при проведенні ядернихреакцій служать: суміші металеві Be та відповідного випромінювача, напр. 226 Ra (т. зв. ампульні джерела), нейтронні генератори, ядерні реактори. Т. до. в більшості випадків ядернихреакцій вище для нейтронів з малими енергіями (тепловінейтрони ), то перед тим, як направити потікнейтронів на ціль, їх зазвичай уповільнюють, використовуючипарафін, графіт та ін матеріали. У разі повільнихнейтронів основний. процес майже для всіх ядер - радіаційне захоплення - ядернареакція типу кулонівський бар'єр ядра перешкоджає вильотупротонів та частинок. Під дієюнейтронів ланцюгові реакції поділу .
У разі використання як бомбардуючих частинокпротонів , Дейтрони та ін, протікають несучих позитивний заряд, бомбардуючу частинку прискорюють до високих енергій (від десятків МеВ до сотень ГеВ), використовуючи різні прискорювачі. Це необхідно для того, щоб заряджена частка могла подолати кулоновський потенційний бар'єр і потрапити в ядро, що опромінюється. При опроміненні мішеней позитивно зарядженими частинками наиб. виходи ядернихреакцій досягаються при використанні дейтронів. Пов'язано це з тим, що енергія зв'язкупротона та нейтрону в дейтроні відносно мала, і соотв., велика відстань міжпротоном та нейтроном .
При використанні як бомбардуючих частинок дейтронів в ядро, що опромінюється, часто проникає тільки один нуклон -протон або нейтрон , другий нуклон ядра дейтрона летить далі, зазвичай у тому напрямі, як і налітаючий дейтрон. Високі ефективні перерізи можуть досягатися при проведенні ядернихреакцій між дейтронами і легкими ядрами при порівняно низьких енергіях частинок, що налітають (1-10 МеВ). Тому ядерніреакції за участю дейтронів можна здійснити не тільки при використанні прискорених на прискорювачі дейтронів, але й шляхом нагрівання суміші взаємодіючих ядер до т-ри близько 10 7 К. Такі ядерніреакції називають термоядерними. У природних умовах вони протікають лише у надрах зірок. На Землі термоядерні реакції за участюдейтерію, дейтерію та тритію, дейтерію та літію та ін. здійснені привибухи термоядерних (водневих) бомб.
Для частинок кулоновський бар'єр у важких ядер досягає ~25 МеВ. Рівноймовірні ядерніреакції та Продукти ядерноїреакції зазвичай радіоактивні, для ядерноїреакції - Зазвичай стабільні ядра.
Для синтезу нових надважких хім. елементів важливе значення мають ядерніреакції , що протікають за участю прискорених на важких прискорювачахіонів (22 Ne, 40 Ar та ін.). Напр., по ядернійреакції м. б. здійснено синтезфермія. Для ядерних реакцій із важкими іонами характерна велика кількість вихідних каналів. Наприклад, при бомбардуванні ядер 232 Thіонами 40 Ar утворюються ядра Са, Ar, S, Si, Mg, Ne.
Для здійснення ядернихреакцій під впливом квантів придатні кванти високих енергій (десятки МеВ). Кванти з меншими енергіями відчувають на ядрах лише пружне розсіювання. Ядерні, що протікають під дією налітаючих квантівреакції називають фотоядерними, цих реакцій досягають 1030 м 2 .
Хочаелектрони мають заряд, протилежний заряду ядер, проникненняелектронів в ядро ​​можливе лише в тих випадках, коли для опромінення ядер використовуютьелектрони , енергія яких перевищує десятки МеВ Для отримання такихелектронів застосовують бетатрони та ін.
Дослідження ядернихреакцій дають різноманітну інформацію про внутрішню будову ядер. Ядерніреакції за участю нейтронів дозволяють отримувати величезну кількість енергії в ядерних реакторах. В результаті ядернихреакцій поділу під дією нейтронів утворюється велика кількість різнихрадіонуклідів , які можна використовувати, зокрема вхімії, як ізотопні індикатори. У ряді випадків ядерніреакції дозволяють отримуватимічені з'єднання. Ядерні реакції лежать в основі активаційного аналізу. За допомогою ядернихреакцій здійснено синтез штучних хім. елементів (технеція , прометія , трансуранових елементів, трансактіноїдів).

Історія відкриття поділу ядер урану

Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що при бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Правильне тлумачення цього факту дали австрійський фізик Л. Мейтнер та англійський фізик О. Фріш. Вони пояснили появу цих елементів розпадом ядер урану, що захопив нейтрон, на приблизно дві рівні частини. Це явище отримало назву поділу ядер, а ядра, що утворюються, - уламків поділу.

Крапельна модель ядра

Пояснити цю реакцію поділу можна ґрунтуючись на краплинній моделі ядра. У цій моделі ядро ​​розглядається як крапля зарядженої несжимаемой рідини. Крім ядерних сил, що діють між усіма нуклонами ядра, протони зазнають додаткового електростатичного відштовхування, внаслідок якого вони розташовуються на периферії ядра. У незбудженому стані сили електростатичного відштовхування компенсовані, тому ядро ​​має сферичну форму (рис. 1).

Рис. 1

Після захоплення ядром нейтрону утворюється проміжне ядро, яке знаходиться у збудженому стані. При цьому енергія нейтрону рівномірно розподіляється між усіма нуклонами, а проміжне ядро ​​деформується і починає коливатися. Якщо збудження невелике, то ядро ​​(рис. 1, б), звільняючись від надлишку енергії шляхом випромінювання ? -Кванту або нейтрону, повертається у стійкий стан. Якщо ж енергія збудження досить велика, то деформація ядра при коливаннях може бути настільки великою, що в ньому утворюється перетяжка (рис. 1, в), аналогічна перетяжці між двома частинами краплі рідини, що роздвоюється. Ядерні сили, що діють у вузькій перетяжці, вже не можуть протистояти значній кулонівській силі відштовхування частин ядра. Перетяжка розривається, і ядро ​​розпадається на два "уламки" (рис. 1, г), які розлітаються на протилежні сторони.
В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:
.
Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.
При розподілі ядер важких атомів () виділяється дуже велика енергія - близько 200 МеВ при розподілі кожного ядра. Близько 80% цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків; решта 20 % припадає на енергію радіоактивного випромінювання уламків та кінетичну енергію миттєвих нейтронів.
Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах із масовим числом A? 240 порядку 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A= 90 – 145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Ланцюгова ядерна реакція

Ланцюгова ядерна реакція - послідовність одиничнихядерних реакцій , кожна з яких викликається часткою, що з'явилася як продукт реакції на попередньому етапі послідовності. Прикладом ланцюгової ядерної реакції є ланцюгова реакціяподілу ядер важких елементів, при якій основна кількість актів поділу ініціюєтьсянейтронами отриманими при розподілі ядер у попередньому поколінні.

При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакції розподілу ядер урану представлена ​​на рис. 3.

Рис. 3

Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: (99,3 %) і (0,7 %). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. У цьому реакція розподілу найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра входять у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією близько 1 МеВ. Інакше енергія збудження ядер, що утворилися.
виявляється недостатньою для поділу, і тоді замість поділу відбуваються ядерні реакції:
.
Ізотоп урану ? -Радіоактивний, період напіврозпаду 23 хв. Ізотоп нептунія також радіоактивний, період напіврозпаду близько 2 днів.
.

Ізотоп плутонію щодо стабільний, період напіврозпаду 24000 років. Найважливіше властивість плутонію у тому, що він ділиться під впливом нейтронів як і, як. Тому за допомогою може бути здійснена ланцюгова реакція.
Розглянута вище схема ланцюгової реакції є ідеальним випадком. У реальних умовах не всі нейтрони, що утворюються при розподілі, беруть участь у розподілі інших ядер. Частина їх захоплюється ядрами сторонніх атомів, що не діляться, інші вилітають з урану назовні (витік нейтронів).
Тому ланцюгова реакція поділу важких ядер виникає не завжди і не за будь-якої маси урану.

Коефіцієнт розмноження нейтронів

Розвиток ланцюгової реакції характеризується так званим коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який вимірюється відношенням числа N i нейтронів, що викликають розподіл ядер речовини на одному з етапів реакції, до числа N i-1 нейтронів, що викликали поділ на попередньому етапі реакції:
.
Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, що ділиться, від геометричної форми займаного ним обсягу. Одна і та ж кількість даної речовини має різне значення До. Домаксимально, якщо речовина має кулясту форму, оскільки в цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню буде найменшою.
Маса речовини, що ділиться, в якому ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом розмноження До= 1 називається критичної масою. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні.
Значення критичної маси визначається геометрією фізичної системи, її структурою та зовнішнім оточенням. Так, для кулі з чистого урану критична маса дорівнює 47 кг (куля діаметром 17 см). Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.
Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.
Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.
При коефіцієнті розмноження До= 1 число ядер, що діляться, підтримується на постійному рівні. Такий режим забезпечується у ядерних реакторах.
Якщо маса ядерного палива менша від критичної маси, то коефіцієнт розмноження До < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.
Якщо ж маса ядерного палива більша за критичну, то коефіцієнт розмноження До> 1 і кожне нове покоління нейтронів викликає дедалі більше поділів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху, що супроводжується величезним виділенням енергії та підвищенням температури навколишнього середовища до кількох мільйонів градусів. Ланцюгова реакція такого роду відбувається під час вибуху атомної бомби.
Ядерний реактор

Ядерний реактор - пристрій, в якому здійснюється керованаядерна ланцюгова реакція , що супроводжується виділенням енергії Перший - ядерний реактор побудований у грудні 1942 у США під керівництвом Еге.Фермі . У Європі перший ядерний реактор запущено у грудні 1946 р. у Москві під керівництвом І.В.Курчатова . До 1978 року у світі працювало вже близько тисячі ядерних реакторів різних типів. Складовими частинами будь-якого ядерного реактора є:активна зона з ядерним паливом , зазвичай оточена відбивачем нейтронів,теплоносій , система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист, система дистанційного керування Основною характеристикою ядерного реактора є його потужність. Потужність в 1 Мітвідповідає ланцюговій реакції, в якій відбувається 3·10 16 актів поділу на 1 сек.

В активній зоні ядерного реактора знаходиться ядерне паливо, протікає ланцюгова реакція ядерного поділу і виділяється енергія. Ядерний реактор характеризується ефективним коефіцієнтом Кефрозмноження нейтронів або реактивністю r:

R = (К? - 1) / До еф. (1)

Якщо До еф > 1 то ланцюгова реакція наростає в часі, Ядерний реактор знаходиться в надкритичному стані і його реактивність r > 0; якщо До еф < 1 , то реакція згасає, реактор - підкритичний, r< 0; при До ? = 1, r = 0 реактор знаходиться в критичному стані, йде стаціонарний процес і число поділів постійно в часі. Для ініціювання ланцюгової реакції при пуску ядерного реактора в активну зону зазвичай вносять джерело нейтронів (суміш Ra і Be, 252 Cf та ін), хоча це і не обов'язково, тому що спонтанний поділ ядерурану та космічні промені дають достатню кількість початкових нейтронів для розвитку ланцюгової реакції при До еф > 1.

В якості речовини, що ділиться в більшості Ядерний реактор застосовують 235 U . Якщо активна зона, крім ядерного палива (природне або збагаченеуран), містить уповільнювач нейтронів (графіт, вода та інші речовини, що містять легкі ядра, див.Уповільнення нейтронів ), то основна частина поділів відбувається під дієютеплових нейтронів (тепловий реактор ). У ядерному реакторі на теплових нейтронах може бути використаний природнийуран , не збагачений 235 U (Такими були перші ядерні реактори). Якщо уповільнювача в активній зоні немає, то основна частина поділів викликається швидкими нейтронами з енергією x n > 10 кев(швидкий реактор ). Можливі також реактори на проміжних нейтронах з енергією 1-1000 ев.

За конструкцією Ядерний реактор поділяються на гетерогенні реактори , в яких ядерне паливо розподілене в активній зоні дискретно у вигляді блоків, між якими знаходиться уповільнювач нейтронів, тагомогенні реактори , в яких ядерне паливо та сповільнювач представляють однорідну суміш (розчин або суспензія). Блоки з ядерним паливом у гетерогенному в Ядерному реакторі називаютьсятепловиділяючими елементами (ТВЕЛ"ами), утворюють правильні грати; обсяг, що припадає на один ТВЕЛ, називається осередком. За характером використання Ядерний реактор діляться на енергетичні реактори ідослідні реактори . Часто один ядерний реактор виконує кілька функцій .

В умовах критичності Ядерний реактор має вигляд:

До еф = До ? ? Р = 1, (1)

Де 1 - Р - ймовірність виходу (витікання) нейтронів з активної зони Ядерного реактора, До ? - коефіцієнт розмноження нейтронів в активній зоні нескінченно великих розмірів, який визначається для теплових ядерних реакторів так званої «формулою 4 співмножників»:

До? = neju. (2)

Тут n - середня кількість вторинних (швидких) нейтронів, що виникають при розподілі ядра 235 U тепловими нейтронами, e - коефіцієнт розмноження на швидких нейтронах (збільшення числа нейтронів за рахунок розподілу ядер, головним чином ядер 238 U , Швидкими нейтронами); j - ймовірність того, що нейтрон не захопиться ядром 238 U у процесі уповільнення, u - ймовірність того, що тепловий нейтрон викличе поділ. Часто користуються величиною h = n/(l + a), де a - відношення перерізу радіаційного захоплення s р до перерізу ділення s д.

Умова (1) визначає розміри ядерного реактора. Наприклад, для ядерного реактора з природного урану та графіту n = 2.4. e » 1,03, eju » 0,44, звідки До? =1,08. Це означає, що для До ? > 1 необхідно Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 м.Обсяг сучасного енергетичного ядерного реактора досягає сотень м 3 і визначається головним чином можливостями теплозйомки, а не умовами критичності. Обсяг активної зони Ядерного реактора в критичному стані називається критичним обсягом Ядерного реактора, а маса речовини, що ділиться - критичної масою. Найменшою критичною масою мають Ядерний реактор з паливом у вигляді розчинів солей чистих ізотопів, що діляться у воді і з водяним відбивачем нейтронів. Для 235 U ця маса дорівнює 0,8 кг, для 239 Pu - 0,5 кг.Найменшою критичною масою має 251 Cf (Теоретично 10 г). Критичні параметри графітового ядерного реактора з природнимураном: маса урану 45 т, обсяг графіту 450 м 3 . Для зменшення витоку нейтронів активній зоні надають сферичну або близьку до сферичної форми, наприклад, циліндр з висотою порядку діаметра або куб (найменше відношення поверхні до об'єму).

Величина n відома теплових нейтронів з точністю 0,3% (табл. 1). При збільшенні енергії x n нейтрона, що викликав поділ, n росте за законом: n = n t + 0,15 x n (x n в Мев), де n t відповідає розподілу тепловими нейтронами.

Табл. 1. - Величини n та h) для теплових нейтронів (за даними на 1977)

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

Величина (e-1) зазвичай становить лише кілька %, проте роль розмноження на швидких нейтронах істотна, оскільки великих Ядерних реакторів ( До ? - 1) << 1 (графитовые Ядерный реактор с естественным ураном, в яких вперше було здійснено ланцюгову реакцію, неможливо було б створити, якби не існувало поділу на швидких нейтронах).

Максимально можливе значення J досягається в Ядерному реакторі, який містить тільки ядра, що діляться. Енергетичні ядерні реактори використовують слабо збагачений

уран (концентрація 235 U ~ 3-5%), і ядра 238 U поглинають помітну частину нейтронів. Так, для природної суміші ізотопівурану максимальне значення nJ = 1,32. Поглинання нейтронів у сповільнювачі та конструкційних матеріалах зазвичай не перевищує 5-20% від поглинання всіма ізотопами ядерного палива. З уповільнювачів найменше поглинання нейтронів має важка вода, з конструкційних матеріалів - Al та Zr .

Імовірність резонансного захоплення нейтронів ядрами 238

U в процесі уповільнення (1-j) істотно знижується в гетерогенних ядерних реакторах Зменшення (1 - j) пов'язане з тим, що число нейтронів з енергією, близькою до резонансної, різко зменшується всередині палива і в резонансному поглинанні бере участь тільки зовнішній шар блоку. Гетерогенна структура ядерного реактора дозволяє здійснити ланцюговий процес на природномуурані . Вона зменшує величину О, проте цей програш у реактивності значно менше, ніж виграш через зменшення резонансного поглинання.

Для розрахунку теплових ядерних реакторів необхідно визначити спектр теплових нейтронів. Якщо поглинання нейтронів дуже слабке і нейтрон встигає багато разів зіткнутися з ядрами сповільнювача до поглинання, то між повільним середовищем і нейтронним газом встановлюється термодинамічна рівновага (термалізація нейтронів), і спектр теплових нейтронів описується

Максвелла розподілом . Насправді поглинання нейтронів в активній зоні ядерного реактора досить велике. Це призводить до відхилення від розподілу Максвелла - середня енергія нейтронів більша за середню енергію молекул середовища. На процес термалізації впливають рухи ядер,хімічні зв'язки атомів та ін.

Вигоряння та відтворення ядерного палива.

У процесі роботи Ядерного реактора відбувається зміна складу палива, пов'язана з накопиченням у ньому уламків поділу та з утвореннямтрансуранових елементів , головним чином ізотопів Pu . Вплив осколків поділу на реактивність Ядерного реактора називається отруєнням (для радіоактивних уламків) та зашлаковуванням (для стабільних). Отруєння зумовлене головним чином 135 Xe який має найбільший переріз поглинання нейтронів (2,6·10 6 барн). Період його напіврозпаду T 1/2 = 9,2 год, вихід при розподілі становить 6-7%. Основна частина 135 Xe утворюється внаслідок розпаду 135 ] (Тц = 6,8 год). При отруєнні Кеф змінюється на 1-3%. Великий перетин поглинання 135 Xe та наявність проміжного ізотопу 135 I призводять до двох важливих явищ: 1) до збільшення концентрації 135 Xe і, отже, зменшення реактивності Ядерного реактора після його зупинки чи зниження потужності («йодна яма»). Це змушує мати додатковий запас реактивності в органах регулювання або унеможливлює короткочасні зупинки та коливання потужності. Глибина та тривалістьйодний ями залежить від потоку нейтронів Ф: при Ф = 5·10 13 нейтрон/см 2 ? сіктривалістьйодний ями ~ 30 год, а глибина в 2 рази перевищує стаціонарну зміну До еф, спричинене отруєнням 135 Xe . 2) Через отруєння можуть відбуватися просторово-часові коливання нейтронного потоку Ф, а значить - і потужності Ядерного реактора. Ці коливання виникають при Ф> 1013 нейтронів/см 2 ? сек і великих розмірах ядерного реактора.Періоди коливань ~ 10 год.

Число різних стабільних уламків, що виникають при розподілі ядер, велике. Розрізняють уламки з великими і малими перерізами поглинання в порівнянні з перерізом поглинання ізотопу, що ділиться. Концентрація перших досягає насичення протягом кількох перших діб роботи Ядерного реактора (головним чином 149 Sm , що змінює Кеф на 1%). Концентрація других і негативна реактивність, що вноситься ними, зростають лінійно в часі.

Утворення трансуранових елементів у Ядерному реакторі відбувається за схемами:

Тут 3 означає захоплення нейтрону, число під стрілкою період напіврозпаду.

Накопичення 239 Pu (ядерного пального) на початку роботи Ядерного реактора відбувається лінійно в часі, причому тим швидше (при фіксованому вигорянні 235 U ), чим менше збагаченняурану. Потім концентрація 239 Pu прагне постійної величини, яка залежить від ступеня збагачення, а визначається ставленням перерізів захоплення нейтронів 238 U та 239 Pu . Характерний час встановлення рівноважної концентрації 239 Pu ~ 3/ Ф років (Ф в од. 10 13 нейтронів/ см 2 ? сек). Ізотопи 240 Pu , 241 Pu досягають рівноважної концентрації тільки при повторному спалюванні пального в ядерному реакторі після регенерації ядерного палива.

Вигоряння ядерного палива характеризують сумарною енергією, що виділилася в ядерному реакторі на 1 тпалива. Для ядерних реакторів, що працюють на природному урані, максимальне вигоряння ~ 10 ГВТ?добу/т(важко-водні ядерні реактори). У ядерному реакторі зі слабо збагаченимураном (2-3% 235 U ) досягається вигоряння ~ 20-30 Гвт-сут/т.У ядерному реакторі на швидких нейтронах - до 100 Гвт-сут/т.Вигоряння 1 Гвт-сут/твідповідає згорянню 0,1% ядерного палива.

При вигоранні ядерного палива реактивність ядерного реактора зменшується (в ядерному реакторі на природному урані при малих вигорання відбувається деяке зростання реактивності). Заміна вигорілого палива може проводитися відразу з усієї активної зони або поступово по ТВЕЛ так, щоб в активній зоні знаходилися ТВЕЛ різного віку - режим безперервного навантаження (можливі проміжні варіанти). У першому випадку ядерний реактор зі свіжим паливом має надмірну реактивність, яку необхідно компенсувати. У другому випадку така компенсація потрібна тільки при спочатку з запуску до виходу в режим безперервного навантаження. Безперервне перевантаження дозволяє збільшити глибину вигоряння, оскільки реактивність Ядерного реактора визначається середніми концентраціями нуклідів, що діляться (вивантажуються ТВЕЛ"и з мінімальною концентрацією нуклідів, що діляться). У табл. кг) вводо-водяному реакторі потужністю 3 ГВт.Вивантажується одночасно вся активна зона після роботи Ядерного реактора протягом 3 роківта «витримки» 3 років(Ф = 3?10 13 нейтрон/см 2?сек). Початковий склад: 238 U – 77350, 235 U – 2630, 234 U – 20.

Табл. 2. - Склад палива, що вивантажується, кг

238 і т.д.................
Ядерна реакція (ЯР) - процес, у якому ядро ​​атома змінюється шляхом дроблення чи з'єднання з ядром іншого атома. Таким чином, вона повинна призводити до перетворення щонайменше одного нукліду на інший. Іноді, якщо ядро ​​взаємодіє з іншим ядром або частинкою без зміни природи будь-якого нукліду, процес відноситься до ядерного розсіювання. Мабуть, найпомітнішими є реакції легких елементів, які впливають виробництво енергії зірок і Сонця. Природні реакції відбуваються у взаємодії космічних променів з речовиною. Природний ядерний реактор Найбільш помітною контрольованою людиною реакцією є реакція поділу, яка відбувається в Це пристрої для ініціювання та контролю ядерної ланцюгової реакції. Але існують не лише штучні реактори. Перший природний ядерний реактор у світі було виявлено 1972 року в Окло в Габоні французьким фізиком Френсісом Перріном. Умови, в яких могла вироблятися природна енергія ядерної реакції, були передбачені в 1956 Полом Кадзуо Курода. Єдине відоме місце у світі складається з 16 ділянок, в яких відбувалися реакції, що самопідтримуються подібного типу. Як вважають, це було приблизно 1,7 мільярда років тому і тривало протягом кількох сотень тисяч років, що було підтверджено наявністю ізотопів ксенону (газоподібного продукту поділу) та різним ставленням U-235/U-238 (збагачення природного урану). Ядерний поділ Графік енергії зв'язку передбачає, що нукліди з масою більше 130 а. повинні спонтанно відокремитися один від одного, щоб сформувати більш легкі та стабільні нукліди. Експериментально вчені встановили, що спонтанні реакції розподілу елементів ядерної реакції відбуваються лише найважчих нуклідів з масовим числом 230 чи більше. Навіть якщо це здійснюється, дуже повільно. Період напіврозпаду для спонтанного поділу 238 U, наприклад, становить 10-16 років, або приблизно в два мільйони разів довше, ніж вік нашої планети! Опроміненням зразків важких нуклідів повільними тепловими нейтронами можна індукувати реакції поділу. Наприклад, коли 235 U поглинає тепловий нейтрон, він розбивається на дві частинки з нерівномірною масою та вивільняє в середньому 2,5 нейтрони. Поглинання нейтрона 238 U індукує коливання в ядрі, які деформують його доти, доки він не розколеться на фрагменти так, як крапля рідини може розлетітися на дрібніші крапельки. Більш ніж 370 дочірніх нуклідів з атомними масами між 72 і 161 а. утворюються при розподілі на тепловому нейтроні 235U, включаючи два продукти, показаних нижче. Ізотопи ядерної реакції, такі як уран, зазнають індукованого поділу. Але єдиний природний ізотоп 235 U присутній удосталь всього 0,72%. Індуковане поділ цього ізотопу вивільняє в середньому 200 МеВ на атом, або 80 мільйонів кілоджоулів на грам 235 U. Притягнення ядерного поділу як джерела енергії можна зрозуміти, порівнюючи це значення з 50 кДж/г, що вивільняються, коли спалюється природний газ. Перший ядерний реактор Перший штучний ядерний реактор був побудований Енріко Фермі та співробітниками під футбольним стадіоном ввели його в експлуатацію 2 грудня 1942 року. Цей реактор, який виробляв кілька кіловат енергії, складався з купи графітових блоків вагою 385 тонн, покладених шарами навколо кубічних ґрат з 40 тонн урану та оксиду урану. Спонтанний поділ 238 U або 235 U у цьому реакторі викликало дуже малу кількість нейтронів. Але досить було урану, так що один з цих нейтронів індукував 235 U, тим самим вивільнивши в середньому 2,5 нейтрону, які каталізували поділ додаткових ядер 235 U ланцюгової реакції (ядерні реакції). Кількість матеріалу, що розщеплюється, необхідного для підтримки ланцюгової реакції, називається Зелені стрілки показують розкол ядра урану в двох осколках поділу, що випускають нові нейтрони. Деякі з цих нейтронів можуть викликати нові реакції розподілу (чорні стрілки). Деякі нейтрони можуть бути втрачені в інших процесах (сині стрілки). Червоні стрілки показують затримані нейтрони, які надходять пізніше з радіоактивних уламків поділу та можуть викликати нові реакції поділу. Позначення ядерних реакцій Розглянемо основні властивості атомів, включаючи атомне число та атомну масу. Атомний номер є числом протонів в ядрі атома, а ізотопи мають однаковий атомний номер, але розрізняються за кількістю нейтронів. Якщо початкові ядра позначаються аі b,а ядра твору позначаються зі d,реакція може бути представлена ​​рівнянням, яке ви можете бачити нижче. Які ядерні реакції замість використання повних рівнянь скорочуються для легких частинок? У багатьох ситуаціях для опису таких процесів використовується компактна форма: a (b, c) dеквівалентно a + b,що виробляє c+d.Легкі частки часто скорочуються: зазвичай pозначає протон, n -нейтрон, d- Дейтрон, α - альфа-частинку, або гелій-4, β - бета-частку, або електрон, γ - гамма-фотон і т.д. Види ядерних реакцій Хоча кількість можливих таких реакцій величезна, їх можна сортувати за типами. Більшість таких реакцій супроводжується гамма-випромінюванням. Ось деякі приклади: Пружне розсіювання. Відбувається, коли енергія між ядром-мішенню та падаючою частинкою не передається. Непружне розсіювання. Відбувається, коли енергія передається. Різниця кінетичних енергій зберігається у збудженому нукліді. Реакція захоплення. Як заряджені, і нейтральні частки можуть захоплюватися ядрами. Це супроводжується випромінюванням -променів. Частинки ядерних реакцій під час реакції нейтронного захоплення називаються радіоактивними нуклідами (індукована радіоактивність). Реакція передачі. Поглинання частки, що супроводжується випромінюванням однієї або декількох частинок, називається реакцією перенесення. Реакції поділу. Ядерний поділ є реакцією, у якій ядро ​​атома розщеплюється більш дрібні частини (легші ядра). Процес поділу часто призводить до утворення вільних нейтронів та фотонів (у вигляді гамма-променів) та вивільняє велику кількість енергії. Реакція злиття. Відбуваються, коли два або більше атомних ядрів стикаються з дуже високою швидкістю і об'єднуються, утворюючи новий тип атомного ядра. Частинки ядерних реакцій злиття дейтерію та тритію особливо цікаві через їх потенціал забезпечення енергії в майбутньому. Реакція розщеплення. Відбуваються, коли ядро ​​уражається часткою з достатньою енергією та імпульсом, щоб вибити кілька дрібних фрагментів або розбити її на багато фрагментів. Реакція перегрупування. Це поглинання частинки, що супроводжується випромінюванням однієї або декількох частинок: 197Au (p, d) 196mAu 4He (a, p) 7Li 27Al (a, n) 30P 54Fe (a, d) 58Co 54Fe (a, 2 n) 56Ni 54Fe (32S, 28Si) 58Ni Різні реакції перегрупування змінюють кількість нейтронів та кількість протонів. Ядерний розпад Ядерні реакції відбуваються, коли нестабільний атом втрачає енергію з допомогою випромінювання. Він є випадковим процесом на рівні одиночних атомів, оскільки відповідно до квантової теорії неможливо передбачити, коли окремий атом розпадатиметься. Існує багато видів радіоактивного розпаду: Альфа-радіоактивність. Частинки Alpha складаються з двох протонів та двох нейтронів, пов'язаних разом із частинкою, ідентичною ядру гелію. Через дуже велику масу та її заряд він сильно іонізує матеріал і має дуже короткий діапазон. Бета-радіоактивність. Вона являє собою високоенергетичні швидкісні позитрони або електрони, випромінювані деякими типами радіоактивних ядер, таких як калій-40. Бета-частинки мають більший діапазон проникнення, ніж альфа-частинки, але все ж таки набагато менше, ніж гамма-промені. Викинуті бета-частинки є формою іонізуючого випромінювання, також відомого як бета-промені ланцюгової ядерної реакції. Отримання бета-часток називається бета-розпадом. Гамма-радіоактивність. Гамма-промені є електромагнітним випромінюванням дуже високої частоти і, отже, є фотонами високої енергії. Вони утворюються при розпаді ядер за її переході зі стану високої енергії нижчий стан, відоме як гамма-распад. Більшість ядерних реакцій супроводжується гамма-випромінюванням. Нейтронна емісія. Нейтронна емісія є типом радіоактивного розпаду ядер, що містять надлишкові нейтрони (особливо продукти поділу), в яких нейтрон просто викидається з ядра. Цей тип випромінювання відіграє ключову роль в управлінні ядерними реакторами, тому що ці нейтрони затримані. Енергетика Q-значення енергії ядерної реакції - це кількість енергії, що виділяється або поглинена під час реакції. Називається чи Q-значенням реакції. Ця енергія виражається як різниця між кінетичною енергією продукту та величиною реагенту. Загальний вид реакції: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), де xі Xє реагентами, а yі Y– продуктом реакції, які можуть визначити енергію ядерної реакції, Q – енергетичний баланс. Q-значення ЯР означає енергію, що вивільняється або поглинена в реакції. Вона також називається енергетичним балансом ЯР, що може бути позитивним чи негативним залежно від характеру. Якщо Q-значення позитивне, реакція буде екзотермічною, її також називають екзоергічною. Вона вивільняє енергію. Якщо Q-значення негативне, реакція є ендоергічною, або ендотермічною. Такі реакції здійснюються з допомогою поглинання енергії. У ядерній фізиці подібні реакції визначаються Q-значенням як різниця між сумою мас вихідних реагентів і кінцевих продуктів. Вимірюється в енергетичних одиницях МеВ. Розглянемо типову реакцію, у якій снаряд aі мета Aпоступаються двом продуктам Bі b. Це може бути виражено так: а + A → B + B , або навіть у більш компактному записі - А (а, б) B. Види енергій у ядерній реакції та значення цієї реакції визначається за формулою: Q = c 2, що збігається з надмірною кінетичною енергією кінцевих продуктів: Q = T final - T початковий Для реакцій, у яких спостерігається збільшення кінетичної енергії продуктів, Q – позитивно. Позитивні Q-реакції називаються екзотермічними (або екзогенними). Існує чисте виділення енергії, оскільки кінетична енергія кінцевого стану більше, ніж у початковому стані. Для реакцій, у яких спостерігається зменшення кінетичної енергії продуктів, Q негативно. Період напіврозпаду радіоактивної речовини є характерною константою. Він вимірює час, необхідний для того, щоб певна кількість речовини зменшилася наполовину внаслідок розпаду і, отже, випромінювання. Археологи і геологи використовують період напіврозпаду досі щодо органічних об'єктів у процесі, відомому як датування вуглецю. Під час бета-розпаду вуглець 14 перетворюється на азот 14. Під час смерті організми перестають виробляти вуглець 14. Оскільки період напіврозпаду є постійним, відношення вуглецю 14 до азоту 14 забезпечує вимірювання віку зразка. У медичній області джерелами енергії ядерних реакцій є радіоактивні ізотопи Кобальту 60, який використовувався для променевої терапії зі скорочення пухлин, які будуть видалені хірургічним шляхом, або для знищення ракових клітин в неоперабельних пухлинах. Коли він розпадається на стабільний нікель, то випускає дві відносно високі енергії - гамма-випромінювання. Сьогодні він замінюється системами променевої терапії електронним пучком. Період напіврозпаду ізотопів від деяких зразків: кисень 16 - нескінченний; уран 238 - 4460000000 років; уран 235 – 713 000 000 років; вуглець 14 - 5730 років; кобальт 60 – 5,27 року; срібло 94 – 0,42 секунди. Радіовуглецеве датування При дуже стійкій швидкості нестійкий вуглець 14 поступово розпадається на вуглець 12. Співвідношення цих вуглецевих ізотопів показує вік деяких найстаріших жителів Землі. Радіовуглецеве датування – це метод, який забезпечує об'єктивні оцінки віку матеріалів на основі вуглецю. Вік можна оцінити, вимірюючи кількість вуглецю 14, що є у зразку, і порівнюючи його з міжнародним стандартним еталоном. Вплив методу радіовуглецевого датування у світі зробило його однією з значних відкриттів ХХ століття. Рослини та тварини асимілюють вуглець 14 з вуглекислого газу протягом усього життя. Коли вони вмирають, то перестають обмінювати вуглець з біосферою, а вміст 14 вуглецю в них починає знижуватися зі швидкістю, що визначається законом радіоактивного розпаду. Радіовуглецеве датування - по суті метод, призначений для вимірювання залишкової радіоактивності. Знаючи, скільки вуглецю 14 залишилося у зразку, можна дізнатися вік організму, коли він помер. Слід зазначити, що результати радіовуглецевого датування показують, коли організм живий. Основні методи вимірювання радіовуглецю Існують три основних методи, що використовуються для вимірювання вмісту вуглецю 14 в будь-якому заданому пропорційному розрахунку пробовідбірника, рідкому лічильнику сцинтиляційного і мас-спектрометрії прискорювача. Пропорційний рахунок газу є звичайною радіометричною методикою датування, яка враховує бета-частинки, що випускаються даним зразком. Бета-частинки є продуктами розпаду радіовуглецю. У цьому методі зразок вуглецю спочатку перетворюється на газоподібний діоксид вуглецю перед вимірюванням у пропорційних газових лічильниках. Сцинтиляційний підрахунок рідин - ще один метод радіовуглецевого датування, який був популярним у 1960-х роках. У цьому методі зразок знаходиться в рідкій формі і додається сцинтилятор. Цей сцинтилятор створює спалах світла, коли він взаємодіє з бета-часткою. Пробірку із зразком пропускають між двома фотомножниками, і коли обидва пристрої реєструють спалах світла, проводиться підрахунок. Переваги ядерної науки Закони ядерних реакцій використовують у широкому діапазоні галузей науки та техніки, таких як медицина, енергетика, геологія, космос та захист навколишнього середовища. Ядерна медицина та радіологія - це медичні методи, які включають використання радіації чи радіоактивності для діагностики, лікування та профілактики захворювань. У той час, як радіологія використовувалася майже сторіччя, термін «ядерна медицина» почав застосовуватися близько 50 років тому. Ядерна енергія використовується протягом десятиліть і є одним із найшвидших енергетичних варіантів для країн, які прагнуть енергетичної безпеки та енергозберігаючих рішень з низьким рівнем викидів. Археологи використовують широкий спектр ядерних методів визначення віку предметів. Артефакти, такі як Туринська плащаниця, Свитки Мертвого моря та Корона Карла Великого, можуть бути датовані, і їхня справжність перевірена з використанням ядерних методів. Ядерні методи використовуються у сільськогосподарських спільнотах для боротьби з хворобами. Радіоактивні джерела широко застосовуються у гірничодобувній промисловості. Наприклад, вони використовуються при неруйнівних випробуваннях закупорки трубопроводів і зварних швів, у вимірі щільності матеріалу, що пробивається. Ядерна наука відіграє цінну роль, допомагаючи нам зрозуміти історію нашого довкілля. Чи не знайшли відповідь на своє запитання? Подивіться тут Ораторське мистецтво як прообраз публіцистики Цитати про Наполеона - dslinkov — LiveJournal Мені помста Людина на бульдозері зруйнувала місто