Ядерная реакция — процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра, а также выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Осуществление ядерной реакции возможно только при сближении ядер атомов вещества вплотную и их попадании в радиус действия ядерных сил. Но ядра любых химических элементов имеют положительный заряд. Поэтому при сближении они отталкиваются за счет действия кулоновских сил. Ядра могут сблизиться друг с другом только в случае, если им сообщить достаточно большую кинетическую энергию. Такую энергию можно им сообщить с помощью специальных ускорителей. Однако для легких ядер достаточно использовать α-частицы или дейтроны — ядро атома дейтерия.
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
147N+42He→178O+11H
Первая реакция с использованием ускорителей была проведена в 1932 году. Во время нее удалось расщепить атом лития на две α-частицы :
73Li+11H→42He+42He
На фотографии треков в камере Вильсона (см. рисунок выше) видно, что ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой. Это соответствует закону сохранения импульса (импульс протона много меньше импульса возникающих α-частиц; на фотографии треки протонов не видны).
Внимание! Количество нуклонов до и после реакции есть число постоянное.
Пример №1. При бомбардировке ядер бора 115B протонами получается бериллий 84Be. Какое еще ядро образуется при этой реакции?
Составим схему реакции:
115B+11p=84Be+AZX
Количество нуклонов до и после реакции постоянно. Поэтому зарядовое число нового элемента будет равно разнице суммы зарядов бора и протона и заряда бериллия:
Z=(5+1)−4=2
Массовое число нового элемента будет равно разнице суммы массовых чисел бора и протона и массового числа бериллия:
A=(11+1)−8=4
Вещество с зарядовым числом 2 и массовым числом 4 — гелий. Следовательно, схема получает вид:
115B+11p=84Be+42He
Энергетический выход ядерных реакций
В ядерной реакции по распаду лития при столкновении с быстрым протоном кинетическая энергия двух образующихся ядер гелия оказалась больше кинетической энергии протона, который вступил в реакцию. И разница между ними составила 7,3 МэВ. Это говорит о том, что превращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии, т. е. изменение энергии связи. В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся α-частиц.
Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остается постоянной. Ведь энергия покоя ядра выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетический выход ядерной реакции — разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции.
Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2
где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции.
Энергетический выход ядерной реакции равен изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции. Причем:
- Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то энергия выделяется.
- Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции меньше, чем до реакции, то энергия поглощается.
Выделяющаяся при ядерных реакциях энергия может быть колоссальной. Но использовать ее при столкновениях ускоренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени практически нельзя. Это связано с тем, что основная часть ускоренных частиц пролетает мимо ядер мишени, не приводя к возникновению реакции.
Пример №2. В результате деления ядра урана 23592U, захватившего нейтрон, образуются ядра бария 14256Ba и криптона 9136Kr, а также три свободных нейтрона. Удельная энергия связи ядер бария 8,38 МэВ/нуклон, криптона – 8,55 МэВ/нуклон и урана – 7,59 МэВ/нуклон. Чему равна энергия, выделенная из одного ядра урана?
Составим схему реакции:
23592U+10n→14256Ba+9136Kr+310n
Из условия задачи известно, сколько энергии имеет каждый нуклон. Нуклон — это 1 протон или нейтрон. Каждый элемент до и после реакции имеет определенные массовые числа:
AU=235
ABa=142
AKr=91
Следовательно, чтобы найти выделившуюся энергию, нужно умножить количество нуклонов на их энергии, а затем найти разность энергий до и после реакции:
Q=EсвUAU−EсвBaABa−EсвKrAKr
Q=7,59·235−8,38·142−8,55·91=−184,36 (МэВ)
Отрицательное число получилось в связи с тем, что суммарная энергия связи ядер образовавшихся элементов больше энергии связи ядра атома урана. Это говорит о том, что энергия при проведении этой реакции будет выделяться в количестве 184,36 МэВ.
Ядерные реакции на нейтронах
Нейтроны не имеют заряда. Поэтому они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения. Например, столкновение нейтрона с ядром атома алюминия может вызвать следующую реакцию:
2713Al+10n→2411Na+42He
Итальянский физик Энрико Ферми, изучавший ядерные реакции на нейтронах, обнаружил, что ядерные превращения вызываются, как быстрыми, так и медленными нейтронами. Причем применение медленных нейтронов часто дает лучшие результаты. Поэтому быстрые нейтроны стали замедлять в воде. После соударения с ядрами водорода, которые по массе примерно равны массе нейтрона, эти нейтроны замедлялись. Их скорость становилась равной скорости теплового движения молекул воды.
Деление ядер урана
В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления —процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс. В 1939 году немецкие ученые Ган и Штрассман открыли деление ядер урана. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и пр.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 23892U (99,3 %) и 23592U (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов расщепляются на 2 части. Причем реакция деления 23592U лучше идет на медленных нейтронах, в то время как ядра 23892U вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами, энергия которых составляет около 1 МэВ.
Наибольший интерес для ученых представила реакция деления ядра 23592U. Сегодня известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, которые образуются при делении этого ядра. Две наиболее распространенные реакции деления этого ядра имеют вид:
23592U+10n→14456Ba+8936Kr+310n
23592U+10n→14454Xe+9438Sr+210n
Ядро урана-235 имеет форм шара. При поглощении лишнего нейтрона (рис. а) оно переходит в возбужденное состояние и начинает деформироваться — удлиняться (рис. б). Оно растягивается дальше (рис. в.) до тех пор, пока не распадется с образованием двух новых ядер и испусканием нескольких нейтронов (рис. г).
Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Цепные ядерные реакции
При делении ядра урана-235, вызванного столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При соблюдении некоторых условий эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.
Цепная реакция — ядерная реакция, при которой вызывающие ее частицы (нейтроны), образуются как продукт этой реакции.
Схема цепной реакции урана-235 выглядит так:
Для осуществления цепной реакции необязательно каждый выделенный нейтрон должен вызывать распад другого ядра урана. Важно лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов с течением времени не уменьшалось. Такое условие выполняется, если коэффициент размножения нейтронов (k) больше или равен единице: k ≥1.
Коэффициент размножения нейтронов — отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего поколения.
Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп урана-238 также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.
Ядерный реактор
Ядерный реактор — устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.
Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.
Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, атомных теплоэлектроцентралях, а также на атомных станциях теплоснабжения.
Основные элементами ядерного реактора:
- ядерное горючее (обычно уран-235);
- замедлитель нейтронов — для получения медленных электронов (тяжелая вода, захватывающая нейтроны, или графит, не захватывающий их);
- теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий);
- регулирующие стержни (бор, кадмий) — для регулирования количества высвобожденных электронов (эти вещества способны поглощать много нейтронов);
- защитная оболочка, которая задерживает излучения (железобетон).
Цепная реакция, как известно, может протекать только при коэффициенте размножения нейтронов k ≥1. Но он может поддерживаться в этом значении только при условии, что масса урана превышает некоторое критическое значение.
Критическая масса — наименьшая масса делящегося вещества, при которой может протекать цепная реакция.
Для чистого урана-235 критическая масса равна 50 кг. При такой массе шар из урана имеет радиус всего 9 см. Если в реакторе использовать оболочку, которая отражает уран, то критическую массу можно снизить до 250 г.
Это интересно! Реактор, работающий на уране-235 и медленных нейтронах, является энергетическим. Его применяют для производства энергии. Но реактор, работающий на уране-235 и быстрых нейтронах, является реактором-размножителем. При распаде 1 кг урана в этом случае образуется 1,5 кг плутония, который также можно использовать как ядерное топливо. При делении урана медленными нейтронами входит в 2,5 раза меньше плутония.
Термоядерные реакции
Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для легких ядер дело обстоит как раз наоборот. Так, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого водорода, на которые можно разделить ядро гелия. Поэтому при слиянии легких ядер масса покоя уменьшается. Следовательно, должна выделяться значительная энергия. Подобного рода реакции слияния легких ядер могут протекать только при очень высоких температурах. Поэтому они называются термоядерными.
Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.
Ядра сливаются только при сближении на расстоянии около 10-12 см — тогда они попадают в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях в расчете на один нуклон, превышает удельную энергию, выделяющуюся при цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого водорода — дейтерия — со сверхтяжелым изотопом водорода — тритием — выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон. При делении же урана выделяется примерно 1 МэВ энергии на один нуклон.
Термоядерные реакции играют большую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда в основном состоит из водорода. Температура внутри звезды столь велика, что в ней протекают реакции слияния ядер водорода с образованием гелия. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.
Если человечество научится управлять термоядерными реакциями, то на Земле появится неисчерпаемый источник энергии. Но пока это невозможно, так как нет таких веществ, которые могли бы выдержать температуру, при которых могут сливаться ядра. Однако неуправляемые реакции проведены уже были. Речь идет о термоядерных бомбах, которые могут уничтожить все человечество.
