mozok.click » Фізика » Ядерні реакції
Інформація про новину
  • Переглядів: 390
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:54
12-02-2018, 22:54

Ядерні реакції

Категорія: Фізика

Ядерні реакції. Вивчення природної радіоактивності показало, що перетворення одного хімічного елемента в інший зумовлено внутрішньоядерними процесами, тобто змінами, які відбуваються всередині атомних ядер. У зв’язку з цим було здійснено спроби штучного перетворення одних хімічних елементів в інші шляхом впливу на атомні ядра. Виняткова стабільність ядер нерадіоактивних елементів свідчить про те, що їх зміна може статись лише під час надзвичайно великого енергетичного зовнішнього впливу. Ефективним засобом такого впливу виявилось бомбардування атомних ядер частинками високої енергії. Спочатку для бомбардування використовували а-частинки радіоактивного випромінювання. Пізніше почали використовувати й інші заряджені частинки, попередньо надавши їм великої швидкості (кінетичної енергії) у спеціальних прискорювачах. Процес перетворення атомних ядер називають ядерною реакцією.

Ядерні реакції- процес перетворення атомних ядер внаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або з іншими ядрами.

Як видно з визначення, ядерні реакції спричинюються зовнішніми причинами. Частинки високої енергії ( а, р, п, р) зіткнувшись з ядром можуть викликати різноманітні перетворення.

У 1919 р. Е. Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію, бомбардуючи азотну мішень а-частинками, і відкрив протон:

Відкриття Резерфорда привело до створення нової галузі наукових досліджень - штучного перетворення хімічних елементів, - яка і сьогодні має важливе наукове і практичне значення. У 1932 р. вперше було застосовано штучно отримані прискорені протони, для розщеплення ядра Літію:

Цього ж року Д.Чедвік від

крив нейтрон:

а Жоліо-Кюрі, здійснивши реакцію

вперше отримав штучний радіоактивний ізотоп фос-Ф°РУ 15Р* який є джерелом позитронів. Так був відкритий позитрон Je.



Енріко Фермі показав, що нейтрони є придатнішими для ініціювання ядерних реакцій, оскільки вони не мають електричного заряду і не відштовхуються ядром, як протони чи а-частинки (котрі мають долати «кулонівський бар’єр»). У1938 р. Отто Ган, Фриц Штрассман і Ліза Мейтнер здійснили поділ ядра Урану-235 нейтронами:

(один з можливих варіантів поділу). Це відкриття було не лише значним науковим досягненням - воно стало доленосним для всього світу. Саме реакція поділу

лежить в основі дії і атомної електростанції, і атомної бомби.

Залежно від виду частинок, якими бомбардується ядро хімічного елемента, від енергії цих частинок, а також від виду бомбардованих ядер можуть відбуватись різні ядерні реакції. Розрізняють такі типи ядерних реакцій: Реакція захоплення. Ядро поглинає бомбардуючу частинку і перетворюється в нове, масивніше ядро. Прикладом може бути реакція

в якій протон поглинається ядром Бору і виникає ядро Карбону. Звичайно в реакціях такого типу нове ядро утворюється в збудженому стані і, випро-мінивши один чи кілька у-квантів, переходить у нормальний (основний) стан.

Поглинання ядром бомбардуючої частинки і випускання новоутвореним ядром однієї або кількох частинок. Прикладом такої реакції може бути реакція


Тут Дейтрон поглинається ядром Берилію, а проміжне ядро, що утворилось, випромінює нейтрон і перетворюється в ядро атома Бору.

Поділ ядра. Під дією бомбардування ядер частинками великих енергій можливе розщеплення ядра на кілька частин. Так, наприклад, ядро атома Бору внаслідк бомбардування протонами достатньо великої енергії може розпастись на три а-частинки. Ця реакція відбувається в два етапи. Спочатку вилітає одна а-частинка

але ядро Берилію виявляється

сильнозбудженим і розпадається ще на дві а-частинки:

Якщо частинка високої енергії влучає в ядро масивного елемента, останнє може розпастись на велику кількість частинок або на уламки приблизно однакової маси.

Реакція синтезу. Це реакція злиття (синтезу) легких атомних ядер у більш важке. Синтез можливий лише за дуже високих температур - порядку 108 К і вищих (тому їх ще називають термоядерними реакціями). Наприклад, синтез Гелію із Дейтерію і Тритію,

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту, зокрема шляхом термоядерних реакцій сформувалися існуючі нині хімічні елементи. Енергія випромінювання Сонця і зір - це енергія термоядерних реакцій, що відбуваються в їх надрах. Для Сонця основною реакцією є перетворення чотирьох протонів на ядро атома Гелію, що супроводжується виділенням енергії понад 26 МеВ за один цикл:

У земних умовах отримати температуру, за якої можлива термоядерна реакція, можна, лише застосувавши ядерний вибух ( на цьому ґрунтується принцип дії водневої бомби) або потужний імпульс лазерного випромінювання (керована термоядерна реакція синтезу).

Енергетичний вихід ядерної реакції. Під час ядерних реакцій обов’язково виконуються закони збереження (електричного заряду, енергії, імпульсу та моменту імпульсу, числа нуклонів). На основі закону збереження і перетворення енергії можна розрахувати енергетичний вихід ядерної реакції.

Енергетичний вихід ядерної реакції Евнх - це енергія, яка виділяється як продукт реакції (або затрачається для здійснення реакції). Вона дорівнює різниці енергій спокою всіх ядер і частинок до і після реакції.

де m - дефект маси, який можна розрахувати як різницю між сумою мас спокою ядер і частинок до і після ядерної реакції. Якщо сумарна маса продуктів реакції менша за суму мас вихідних ядер, то реакція супроводжується виділенням енергії - у вигляді кінетичної енергії утворених частинок. Якщо ж сумарна маса продуктів реакції більша за сумарну масу вихідних ядер, то така реакція для свого перебігу потребує енергетичної підтримки.

Дайте відповіді на запитання

1. Що таке ядерна реакція? енергетичний вихід ядерної реакції?

2. У чому полягає основна відмінність ядерних реакцій на нейтронах?

3. Які бувають типи ядерних реакцій?

4. Написати рівняння ядерної реакції, яка відбувається під час бомбардування Алюмінію

і супроводжується вибиванням протона.


Приклади розв’язування задач Задача. Обчислити енергетичний вихід ядерної реакції

Розв'язання

Енергетичний вихід ядерної реакції

Після підстановки даних отримуємо Am = - 0,0014 а.о.м.

Евих = - 0,0014 а.о.м -931МеВ/а.о.м = - 1,303 МеВ.

Знак мінус вказує на те, що енергія у даній реакції поглинається. Відповідь: - 1,303 МеВ.

Вправа 38

1. Дописати позначення, яких бракує в рівняннях таких ядерних реакцій:

2. Виділяється чи поглинається енергія під час таких ядерних реакцій:

3. Яку мінімальну енергію повинна мати а-частинка, щоб відбулася ядерна реакція

4. Кінетична енергія а-частинки після лобового пружного зіткнення зменшилась на 64%. З ядром якого атома могло відбутися зіткнення?

5. Протон з кінетичною енергією 5МеВ налітає на ядро 3 Li, що перебуває у спокої. У результаті реакції вилітають дві а-частинки з однаковими енергіями. Визначити кут між напрямками руху а-частинок.

6. Визначити мінімальну енергію і частоту гамма-кванта, здатного «розбити» ядро Дейтерію на протон і нейтрон.






^