Ядерные реакции это реакции где взаимодействует атомное ядро с другими элементарными частицами или же другим ядром, в результате чего в зависимости от условий образуется новое вещество.
В первые ядерную реакцию произвел Резерфорд.
Что такое простейшие ядерные реакции
В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение ядра атома одного элемента — азота в ядро атома другого элемента — кислорода.
Реакция происходила при воздействии (ударе) альфа-частицами, полученными при распаде радия, о ядра атомов азота, которым была предварительно заполнена камера Вильсона.
В результате реакции в камере были обнаружены атомы изотопа кислорода с массовым числом 17 и частицы, имеющие единичный положительный заряд и единичную массу, т. е. протоны.
Реакцию записывают так:
2Не4 + 7N14 → 8O17 + 1H1.
Схема реакции показана на рис. , а. На рис. 2 приведена фотография камеры Вильсона, в которой происходит эта реакция.
На рисунке видны следы альфа-частиц от радиоактивного препарата, помещенного сбоку камеры.
На одном из следов имеется несимметричная развилка — след происшедшей реакции: более толстый и короткий след принадлежит тяжелой частице — ядру кислорода, более тонкий и длинный след — легкой частице — протону.
2Не4 + 4Ве9 → 6С12 + 0n1.
Реакция схематически показана на рис., б, Нейтрон не существует долго в свободном состоянии или он в процессе теплового движения соударяется с ядром атома какого-либо вещества и вызывает соответствующую ядерную реакцию, или претерпевает радио-активный распад: излучает бета-частицу (электрон) и превращается в протон.
Период полураспада нейтронов составляет 12,8 мин.
Механизм ядерных реакций
Механизм ядерных реакций заключается в том, что, ударяясь о ядро атома с большой силой, альфа-частица сближается с ним на расстояние действия ядерных сил.
Между нуклонами альфа-частицы и ядра возникают ядерные силы. На мгновение ядро поглощает ударившую в него частицу, и в нем происходит перегруппировка нуклонов с образованием нового комплекса частиц.
Если для устойчивости комплекса какая-либо частица оказывается лишней, то она при этом выбрасывается (см. схему на рис. , в).
Основным условием осуществления ядерной реакции является высокая кинетическая энергия частицы, достаточная, чтобы вызвать неупругий удар и перестройку связей в ядре между нуклонами.
Основным правилом составления уравнений ядерных реакций является сохранение равенства обеих частях его суммы индексов: верхних (массовых чисел) и нижних (атомных номеров) ядер.
Эти равенства являются выражением законов сохранения массы и заряда частиц, участвующих в реакции.
Часто применяют сокращенный способ записи ядерных реакций в виде формулы, состоящей из четырех символов: исходное ядро, действующая частица, выбрасываемая частица, конечное ядро.
Символы частиц заключают в скобки, а порядковый номер элемента часто опускают. Например, реакция Резерфорда:
N14 (α; р) О17;
реакция получения нейтрона:
Ве9(α; п) С12; и т. д.
Условия при которых происходит ядерные реакции
Рассмотрим условия, при которых происходят ядерные реакции. В лабораторных условиях для этого пользуются потоком частиц с высокой кинетической энергией, который направляется на небольшое количество соответствующего вещества, нанесенного на экран, называемое мишенью.
В веществе ядра атомов расположены на расстояниях, в десятки тысяч раз превышающих диаметры самих ядер. Падая на вещество, поток частиц пронизывает главным образом электронные оболочки атомов, в которых производит ионизацию, и только единичные частицы сталкиваются с ядрами атомов (весьма условно это показано на рис. 3).
При этом, чтобы вызвать ядерную реакцию, частица при столкновении должна обладать достаточной кинетической энергией. Проходя сквозь электронные оболочки, заряженные частицы взаимодействуют с полем атомов, тормозятся и теряют энергию.
Поэтому вероятность столкновения с ядром частиц, имеющих достаточно высокую энергию, необходимую для осуществления ядерной реакции, становится еще меньше.
Соударение частиц с ядром атома в зависимости от энергии частиц может быть упругим и неупругим. В первом случае происходит только упругое рассеяние частиц, сопровождающееся перераспределением кинетической энергии между частицей и ядром.
При неупругом соударении происходит или неупругое рассеяние, когда часть кинетической энергии частицы затрачивается на возбуждение ядра (возбужденное ядро излучает гамма-фотон и возвращается в основное состояние), или ядерная реакция, когда кинетическая энергия частицы затрачивается на внутреннюю перестройку ядра.
Вероятность ядерной реакции
Вероятность ядерной реакции характеризуют ее эффективным поперечным сечением σ, под которым понимают отношение числа п актов осуществленной реакции за 1 сек к количеству N частиц, падающих за 1 сек на 1 см2 площади вещества, перпендикулярной потоку частиц:
σ = (n/N)см2.
Величина а зависит от природы вещества, характера реакции и от энергии частиц, ее вызывающих. Порядок величины эффективного сечения для различных ядерных реакций от 10-18 до 10-24 см2, т. е. из N частиц, которые действуют на вещество, только (10-18 ÷ 10-24) N частиц в действительности вызывают реакцию.
Большая вероятность ядерных реакций имеет место при действии на вещество нейтронов. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны проходят через электронные оболочки без потери энергий, поэтому, сталкиваясь с ядрами, они чаще вызывают ядерные реакции.
Закон пропорциональности массы и энергии
Согласно теории относительности масса тел увеличивается с повышением скорости в следующем соотношении:
m = m0/√((1 — (υ/c)2)
где т — масса тела при скорости υ, т0 — масса тела при относительном покое, с — скорость света.
В ядерной физике, которая оперирует со скоростями движения частиц, соизмеримыми со скоростью света, изменение массы частиц в зависимости от скорости становится существенным.
В связи с этим различают полную массу движущейся частицы и массу покоя, т. е. массу частицы при относительном покое или незначительной скорости характера теплового движения.
Полная масса т равняется массе покоя т0 плюс приращение массы mv при данной скорости движения:
т = т0 + mυ
Из предыдущей формулы путем несложных преобразований можно получить зависимость между приращением mυ массы тела при движении со скоростью v и соответствующей кинетической энергией Ек тела.
Кинетическая энергия тела численно равняется приращению его массы при движении, умноженной на квадрат скорости света.
Соотношение Эйнштейна
Это соотношение, называемое соотношением Эйнштейна, согласно теории относительности является общим законом, обусловливающим связь между массой т и энергией Е тела: полная энергия тела пропорциональна его массе:
Е = тс2,
где Е — выражено в эргах, т — в граммах и с — в сантиметрах в секунду Закон пропорциональности массы и энергии находится в полном соответствии с одним из основных положений диалектического материализма во взаимосвязи материи и движения.
Из закона пропорциональности массы и энергии следует, что массе покоя частиц должна соответствовать внутренняя энергия, по величине удовлетворяющая этому соотношению.
Эта величина, однако, превышает величину всех известных в те времена форм внутренней энергии тел (химической, электрической и т. п.) почти в миллион раз.
Как оказалось в дальнейшем, этой энергией является внутренняя потенциальная энергия ядер атомов, связанная с действующими между нуклонами ядерными силами.
Соотношение Эйнштейна является универсальным, однако практическое применение оно находит главным образом в области энергетических расчетов при ядерных реакциях.
При ядерных реакциях происходит перегруппировка нуклонов, соответственно изменяется и внутренняя потенциальная энергия ядра. Если при реакции эта энергия уменьшилась, это значит, что часть ее перешла в другие виды энергии, например в кинетическую энергию частиц — продуктов реакции. В этом случае имеется возможность ее полезного использования.
Энергетическим баланс ядерной реакции
Энергетическим балансом ядерной реакции называют соотношение между кинетической энергией частиц, вступивших в реакцию, и кинетической энергией частиц, образовавшихся в результате реакции.
Если общая кинетическая энергия частиц в результате реакции увеличилась (что произошло за счет уменьшения потенциальной энергии вновь образовавшегося ядра), то баланс реакции считается положительным.
В обратном случае (когда, наоборот, часть кинетической энергии частиц, входящих в реакцию, переходит в потенциальную энергию ядра) — отрицательным.
Для составления баланса можно воспользоваться законом сохранения энергии, согласно которому полная энергия Е’ частиц, вступивших в реакцию, равняется полной энергии Е» частиц, образовавшихся в результате нее:
Е’ = E»
или, развертывая выражение для полной энергии:
Е‘0 + E‘к = E»0 + E»к,
где Е0 энергия, соответствующая массе покоя частиц,
а Eк — их кинетическая энергия. Для удобства расчета энергия, соответствующая массе покоя частиц в обеих частях уравнения, может быть выражена, пользуясь соотношением Эйнштейна, через массу покоя соответствующих частиц. Получаем:
m‘0c2 + E‘к = m0c2 + E‘к. откуда (m‘0 — т»0) с2 = Е»к — Е’к.
Обозначая разность между массами покоя частиц до и после реакции как ∆m0, получаем:
Е» к— Е’к = ∆m0с2,
т. е. изменение кинетической энергии частиц в результате ядерной реакции численно равняется изменению массы покоя частиц, участвующих в реакции, умноженному на квадрат скорости света
Если в результате реакции масса покоя частиц уменьшилась, то энергетический баланс ее положителен, если, наоборот, масса покоя увеличилась, то — отрицателен.
Расщепление протоном ядра лития
Рассмотрим осуществленную в 30-х годах реакцию расщепления протоном ядра лития на две альфа-частицы:
3Li7 + 1Н1 → 22Не4.
Как показывает расчет, масса покоя двух альфа-частиц на ∆m0 — = 0,0185 а. е. м. меньше массы частиц, вступающих в реакцию.
Этому соответствует энергия (переводя массу в граммы и энергию в электронвольты Е = ∆m0с2 = 0,0185•1,66•10-24. (3•1010)2•6,24•105 = 17 Мэв.
Кинетическая энергия альфа-частиц, определенная по пробегу в воздухе, составляет 2•8,8 = 17,6 Мэв. Совпадение с расчетом вполне удовлетворительное.
Если учесть, что протон должен быть предварительно ускорен до энергии 0,5 Мэв, получается положительный баланс реакции в 17,0 — 0,5 = — 16,5 Мэв на одно ядро лития.
Эта реакция дала полное подтверждение соотношения Эйнштейна и, кроме того, впервые показала принципиальную возможность выделения внутриядерной энергии.
Количество ядерной энергии, освобождающейся на грамм-атом (т.е. 7 г) лития при этой реакции, равняется Ек = 0,17•1020 эрг или в тепловых единицах 4•108 ккал.
Если сравнить это с количеством теплоты, выделяющейся при сгорании лучшего угля (калорийность 8000 ккал/кг), то получится 50 000 кг или 50 т угля.
Таков порядок энергии, которая может освобождаться при ядерных реакциях. Однако в данном случае это не является экономически оправданным.
Вероятность ядерной реакции, как указывалось, составляет примерно 1 : 1020. Следовательно, для реакции, которую вызовет одна частица, необходимо затратить энергию на ускорение 1020 протонов.
Использование ядерной энергии получило практическое значение только после открытия реакции деления ядер урана под действием нейтронов.
Примером отрицательного баланса может быть баланс реакции Резерфорда: кинетическая энергия альфа-частицы, вызывающей реакцию, должна быть не менее 7,7 Мэв энергия ядра азота ничтожно мала, энергия ядра кислорода после реакции 0,5 Мэв и энергия протона 6 Мэв.
Отрицательный баланс реакции 1,2 Мэв на одно ядерное превращение.
Аннигиляция реакция образования и аннигиляции пары
Позитрон и электрон, будучи античастицами, взаимодействуют и превращаются в два гамма-фотона (рис. 4, а):
+1е0 + -1е0 → 2hv‘
Реакция была названа реакцией аннигиляции (уничтожения) пары.
Название это не отражает сущности явления, которое имеет существенное значение для правильного понимания единой природы материи.
В данном случае происходит превращение одной из форм материи — частиц вещества в другую форму — частицы поля (фотоны).
Это значение реакции аннигиляции подчеркивается тем, что существует обратная ей реакция образования пары, при которой гамма-фотон достаточно высокой энергии, пролетая сквозь вещество, под действием поля атома превращается в пару электрон-позитрон (рис. 4, б):
hv‘ → -1e0 + 1e0
При обеих реакциях должно выполняться соотношение Эйнштейна. Массе покоя те электрона или позитрона соответствует энергия Ее = 0,51 Мэв или 8,2•10-7 эрг. В первом случае эта энергия сообщается каждому из фотонов, в соответствии с чем они должны иметь частоту:
v‘ = Ee/h = (8,2 • 10-7)/(6,6 • 10-27) = 1,24 • 1020гц.
Это подтверждается опытом.
Во втором случае hv ≥ тес2, т. е. энергия фотона должна быть не меньше суммы энергий электрона и позитрона, т. е. hv = 2•0,51 = 1,02 Мэв.
Это также подтверждается опытом. При соблюдении этого условия интенсивность образования пар зависит от природы вещества, в котором явление происходит. Она тем больше, чем выше атомный номер вещества.
Статья на тему Ядерные реакции