Ядерные реакции. Выделение и поглощение энергии при ядерных реакциях. Термоядерные реакции синтеза лёгких ядер

 Первая ядерная реакция

Ядер­ны­ми ре­ак­ци­я­ми на­зы­ва­ют пре­вра­ще­ние одних ядер в дру­гие при вза­и­мо­дей­ствии с ка­ки­ми-то ча­сти­ца­ми.

В на­ча­ле раз­ви­тия ядер­ной фи­зи­ки учё­ные рас­по­ла­га­ли лишь одним «ору­ди­ем» для «раз­би­тия» ядра – это аль­фа-ча­сти­цы, ко­то­рые при ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де из­лу­ча­ли ра­дио­ак­тив­ные пре­па­ра­ты.

Пер­вая ядер­ная ре­ак­ция была осу­ществ­ле­на Ре­зер­фор­дом. Он бом­бар­ди­ро­вал атомы азота α-ча­сти­ца­ми, в ре­зуль­та­те по­лу­чал­ся кис­ло­род и вы­ле­тал про­тон.

 

Джеймс Че­двик при бом­бар­ди­ров­ке α-ча­сти­ца­ми бе­рил­лия об­на­ру­жил, что из ядра бе­рил­лия вы­ле­та­ет ней­трон и по­лу­ча­ет­ся ядро уг­ле­ро­да.

 

Од­на­ко α-ча­сти­цы не все­гда спо­соб­ны раз­бить ядро, так как они также об­ла­да­ют по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом и, при опре­де­лён­ных усло­ви­ях, элек­три­че­ское от­тал­ки­ва­ние со сто­ро­ны ядра на­столь­ко боль­шое, что α-ча­сти­ца не смо­жет с ним столк­нуть­ся.

Рис. 1. 27-дюй­мо­вый цик­ло­трон С. Ли­винг­сто­у­на и Э. Ло­урен­са, раз­го­няв­ший ча­сти­цы до 5 МэВ (1932 г.)

 Ускорители заряженных частиц. Законы сохранения при ядерных реакциях

Сле­ду­ю­щий этап ис­сле­до­ва­ний ядер­ных ре­ак­ций был свя­зан с кон­стру­и­ро­ва­ни­ем уско­ри­те­лей за­ря­жен­ных ча­стиц (см. Рис. 1). В дан­ных при­бо­рах ча­сти­цы раз­го­ня­лись и, вы­ле­тая из уско­ри­те­ля, уда­ря­лись об ис­сле­ду­е­мые ядра. Хотя мощ­ность пер­вых уста­но­вок была неве­ли­ка, но раз­го­няв­ши­е­ся в них про­то­ны или дей­тро­ны были более эф­фек­тив­ны­ми для со­зда­ния ядер­ных ре­ак­ций, чем α-ча­сти­цы. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что про­то­ны имеют заряд рав­ный еди­ни­це и энер­гия элек­три­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния при вза­и­мо­дей­ствии с ядром у них в два раза мень­ше.

Впер­вые уско­рен­ный про­тон ис­поль­зо­ва­ли для вза­и­мо­дей­ствия с ядром лития , при этом ядро раз­би­ва­лось на две α-ча­сти­цы (два ядра гелия).

 

Дан­ная ре­ак­ция имела боль­шой энер­ге­ти­че­ский выход, около . Ещё боль­ше энер­гии вы­де­ли­лось при ре­ак­ции, в ко­то­рой разо­гнан­ный уско­ри­те­лем дей­трон попал в ядро лития  и также раз­бил его на два ядра гелия.

 

Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью ядер­ных ре­ак­ций яв­ля­ет­ся вы­пол­не­ние за­ко­нов со­хра­не­ния. То есть сумма за­ря­до­вых чисел до ре­ак­ции долж­на быть равна сумме за­ря­до­вых чисел после ре­ак­ции. Также вы­пол­ня­ет­ся закон со­хра­не­ния мас­со­во­го числа. Од­на­ко масса ядер, ко­то­рые вошли в ре­ак­цию, не равны массе ядер, ко­то­рые вышли из ре­ак­ции. 

  

 

 

 

Энер­ге­ти­че­ский выход ре­ак­ции равен:

 

На при­ме­ре преды­ду­щей ре­ак­ции:

 

 

Эта энер­гия рас­пре­де­ля­ет­ся между двумя α-ча­сти­ца­ми.

Каж­дая такая ча­сти­ца при­об­ре­та­ет энер­гию, сле­до­ва­тель­но, при­об­ре­та­ет ско­рость. Если вы­чис­лить по фор­му­лам тео­рии от­но­си­тель­но­сти из­ме­не­ние массы этих α-ча­стиц, то, с боль­шой сте­пе­нью точ­но­сти, по­лу­чим закон со­хра­не­ния масс, учи­ты­вая ре­ля­ти­вист­ские эф­фек­ты. То есть массу  «уно­сят» с собой α-ча­сти­цы.

 Реакции на нейтронах

Тре­тьим эта­пом ис­сле­до­ва­ния ядер­ных ре­ак­ций были ре­ак­ции на ней­тро­нах. Ней­трон яв­ля­ет­ся ней­траль­ной ча­сти­цей, по­это­му он не ис­пы­ты­ва­ет элек­три­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния ядра. Сле­до­ва­тель­но, ре­ак­ции на ней­тро­нах прак­ти­че­ски не тре­бу­ют энер­ге­ти­че­ских за­трат (необ­хо­ди­мо ждать, пока ядро за­хва­тит ней­трон при под­хо­де по­след­не­го на рас­сто­я­ние ).

Одна из пер­вых таких ре­ак­ций была ре­ак­ция за­хва­та ней­тро­на ядром алю­ми­ния, в итоге оно рас­па­да­ет­ся и об­ра­зу­ет­ся ядро на­трия, при этом вы­ле­та­ет α-ча­сти­ца.

 

 Задача 1

При бом­бар­ди­ров­ке ядер изо­то­па азота  ней­тро­на­ми об­ра­зу­ет­ся изо­топ бора . Какая ещё ча­сти­ца об­ра­зу­ет­ся в этой ре­ак­ции? Ва­ри­ан­ты от­ве­та: 1. про­тон; 2. 2 про­то­на; 3. 2 ней­тро­на; 4. α-ча­сти­ца.

Ре­ше­ние

 

За­ря­до­вое и мас­со­вое число уста­но­вим по за­ко­нам со­хра­не­ния.

Общее за­ря­до­вое число после ре­ак­ции долж­но быть равно 7, сле­до­ва­тель­но:

 

Мас­со­вое число после ре­ак­ции долж­но быть равно 15. У бора оно равно 11, по­это­му у неиз­вест­но­го эле­мен­та это число – 4.

 

Неиз­вест­ный эле­мент имеет заряд рав­ный двум, а массу – че­ты­ре. Сле­до­ва­тель­но, это α-ча­сти­ца.

Ответ: 4. α-ча­сти­ца

 Термоядерная реакция

Рис. 2. Взрыв во­до­род­ной бомбы мощ­но­стью 57 ме­га­тонн

Тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция (см. Рис. 2) – ре­ак­ция син­те­за лёг­ких ядер. Син­тез лёг­ких ядер может про­ис­хо­дить толь­ко при вы­со­ких тем­пе­ра­ту­рах, так как эти ядра долж­ны разо­гнать­ся до энер­гии, при ко­то­рой могут сбли­зить­ся на рас­сто­я­ние, рав­ное ра­ди­у­су ядра (). Эта энер­гия долж­на быть по­ряд­ка де­сят­ков МэВ.

На­при­мер, дей­трон может про­ве­сти вме­сте с три­ти­ем ре­ак­цию син­те­за. При этом по­лу­ча­ет­ся гелий  (очень устой­чи­вое ядро) и вы­бра­сы­ва­ет­ся ней­трон. Энер­ге­ти­че­ский выход этой ре­ак­ции равен .

 

Если всту­па­ет в ре­ак­цию 1 моль дей­те­рия (2 г) и 1 моль три­тия (3тг), то про­изой­дёт  (число Аво­га­д­ро) таких ре­ак­ций. Сле­до­ва­тель­но, общий выход энер­гии будет равен:

 

Чтобы по­лу­чить такую энер­гию при сжи­га­нии ке­ро­си­на, необ­хо­ди­мо  топ­ли­ва.