Темы кодификатора ЕГЭ : ядерные реакции, деление и синтез ядер.
В предыдущем листке мы неоднократно говорили о расщеплении атомного ядра на составные части. Но как этого добиться в действительности? В результате каких физических процессов можно разбить ядро?
Наблюдения радиоактивного распада в изменяющихся внешних условиях - а именно, при различных давлениях и температурах, в электрических и магнитных полях - показали, что скорость радиоактивного распада от этих условий не зависит. Никаких превращений химических элементов друг в друга все эти факторы вызвать не способны. Очевидно, изменения энергии тут слишком малы, чтобы повлиять на атомное ядро - так ветер, обдувающий кирпичный дом, не в состоянии его разрушить.
Но разрушить дом можно артиллерийским снарядом. И Резерфорд в 1919 году решил воспользоваться наиболее мощными «снарядами», которые имелись тогда в распоряжении. Это были -частицы, вылетающие с энергией около 5 МэВ при радиоактивном распаде урана. (Как вы помните, это те самые снаряды, которыми он восемь лет назад бомбардировал лист золотой фольги в своих знаменитых опытах, породивших планетарную модель атома.)
Правда, превращений золота в другие химические элементы в тех экспериментах не наблюдалось. Ядро золота само по себе весьма прочное, да и к тому же содержит довольно много протонов; они создают сильное кулоновское поле, отталкивающее -частицу и не подпускающее её слишком близко к ядру. А ведь для разбивания ядра -снаряд должен сблизиться с ядром настолько, чтобы включились ядерные силы! Что ж, раз большое количество протонов мешает - может, взять ядро полегче, где протонов мало?
Резерфорд подверг бомбардировке ядра азота и в результате осуществил первую в истории физики ядерную реакцию :
(1)
В правой части (1) мы видим продукты реакции - изотоп кислорода и протон.
Стало ясно, что для изучения ядерных реакций нужно располагать частицами-снарядами высоких энергий. Такую возможность дают ускорители элементарных частиц. Ускорители имеют два серьёзных преимущества перед естественными «радиоактивными пушками».
1. В ускорителях можно разгонять любые заряженные частицы. В особенности это касается протонов, которые при естественном распаде ядер не появляются. Протоны хороши тем, что несут минимальный заряд, а значит - испытывают наименьшее кулоновское отталкивание со стороны ядер-мишеней.
2. Ускорители позволяют достичь энергий, на несколько порядков превышающие энергию α-частиц при радиоактивном распаде. Например, в Большом адронном коллайдере протоны разгоняются до энергий в несколько ТэВ; это в миллион раз больше, чем 5 МэВ у -частиц в реакции (1) , осуществлённой Резерфордом.
Так, с помощью протонов, прошедших через ускоритель, в 1932 году удалось разбить ядро лития (получив при этом две -частицы):
(2)
Ядерные реакции дали возможность искусственного превращения химических элементов.
Кроме того, в продуктах реакций стали обнаруживаться новые, не известные ранее частицы. Например, при облучении бериллия -частицами в том же 1932 году был открыт нейтрон:
(3)
Нейтроны замечательно подходят для раскалывания ядер: не имея электрического заряда, они беспрепятственно проникают внутрь ядра. (При этом ускорять нейтроны не надо - медленные нейтроны легче проникают в ядра. Нейтроны, оказывается, нужно даже замедлять, и делается это пропусканием нейтронов через обычную воду.) Так, при облучении азота нейтронами протекает следующая реакция:
(4)
Энергетический выход ядерной реакции
Обсуждая энергию связи, мы видели, что в результате ядерных процессов масса системы частиц не остаётся постоянной. Это, в свою очередь, приводит к тому, что кинетическая энергия продуктов ядерной реакции отличается от кинетической энергии исходных частиц.
Прежде всего напомним, что полная энергия частицы массы складывается из её энергии покоя и кинетической энергии :
Пусть в результате столкновения частиц и происходит ядерная реакция, продуктами которой служат частицы и :
(5)
Полная энергия системы частиц сохраняется:
(6)
Кинетическая энергия исходных частиц равна . Кинетическая энергия продуктов реакции равна . Энергетический выход ядерной реакции - это разность кинетических энергий продуктов реакции и исходных частиц:
Из (6) легко получаем:
(7)
Если class="tex" alt="Q > 0"> , то говорят, что реакция идёт с выделением энергии больше кинетической энергии исходных частиц. Из (7) мы видим, что в этом случае суммарная масса продуктов реакции меньше
Если же , то реакция идёт с поглощением энергии : кинетическая энергия продуктов реакции меньше кинетической энергии исходных частиц. Суммарная масса продуктов реакции в этом случае больше суммарной массы исходных частиц.
Таким образом, термины «выделение» и «поглощение» энергии не должны вызывать недоумение: они относятся только к кинетической энергии частиц. Полная энергия системы частиц, разумеется, в любой реакции остаётся неизменной.
1. С помощью таблицы масс нейтральных атомов находим и , выраженные в а. е. м. (для нахождения массы ядра не забываем вычесть из массы нейтрального атома массу электронов).
2. Вычисляем массу исходных частиц, массу продуктов реакции и находим разность масс .
3. Умножаем на и получаем величину , выраженную в МэВ.
Мы сейчас подробно рассмотрим вычисление энергетического выхода на двух примерах бомбардировки ядер лития : сначала - протонами, затем - -частицами.
В первом случае имеем уже упоминавшуюся выше реакцию (2) :
Масса атома лития равна а. е. м. Масса электрона равна а. е. м. Вычитая из массы атома массу трёх его электронов, получаем массу ядра лития :
А. е. м.
Масса протона равна а. е. м., так что масса исходных частиц:
А. е. м.
Переходим к продуктам реакции. Масса атома гелия равна а. е. м. Вычитаем массу электронов и находим массу ядра гелия :
А. е. м.
Умножая на , получаем массу продуктов реакции:
А. е. м.
Масса, как видим, уменьшилась ; это означает, что наша реакция идёт с выделением энергии. Разность масс:
А. е. м.
Выделившаяся энергия:
МэВ.
Теперь рассмотрим второй пример. При бомбардировке ядер лития -частицами происходит реакция:
(8)
Массы исходных ядер нам уже известны; остаётся сосчитать их суммарную массу:
А. е. м.
Из таблицы берём массу атома бора (она равна а. е. м.); вычитаем массу пяти электронов и получаем массу ядра атома бора:
А. е. м.
Масса нейтрона равна а. е. м. Находим массу продуктов реакции:
А. е. м.
На сей раз масса увеличилась class="tex" alt="(m_2 > m_1)"> , то есть реакция идёт с поглощением энергии.
Разность масс равна:
А. е. м.
Энергетический выход реакции:
МэВ.
Таким образом, в реакции (8) поглощается энергия МэВ. Это означает, что суммарная кинетическая энергия продуктов реакции (ядра бора и нейтрона) на МэВ меньше, чем суммарная кинетическая энергия исходных частиц (ядра лития и -частицы). Поэтому чтобы данная реакция в принципе осуществилась, энергия исходных частиц должна быть не меньше МэВ.
Деление ядер
Бомбардируя ядра урана медленным нейтронами, немецкие физики Ган и Штрассман обнаружили появление элементов средней части периодической системы: бария, криптона, стронция, рубидия, цезия и т. д. Так было открыто деление ядер урана.
На рис. 1 мы видим процесс деления ядра (изображение с сайта oup.co.uk.). Захватывая нейтрон, ядро урана делится на два осколка , и при этом освобождаются два-три нейтрона.
Рис. 1. Деление ядра урана
Осколки являются ядрами радиоактивных изотопов элементов середины таблицы Менделеева. Обычно один из осколков больше другого. Например, при бомбардировке урана могут встречаться такие комбинации осколков (как говорят, реакция идёт по следующим каналам ).
Барий и криптон:
Цезий и рубидий:
Ксенон и стронций:
В каждой из этих реакций выделяется очень большая энергия - порядка МэВ. Сравните эту величину с найденным выше энергетическим выходом реакции (2) , равным МэВ! Откуда берётся такое количество энергии?
Начнём с того, что из-за большого числа протонов ( штуки), упакованных в ядре урана, кулоновские силы отталкивания, распирающие ядро, очень велики. Ядерные силы, конечно, ещё в состоянии удерживать ядро от распада, но могучий кулоновский фактор готов сказать своё слово в любой момент. И такой момент настаёт, когда в ядре застревает нейтрон (рис. 2 - изображение с сайта investingreenenergy.com).
Рис. 2. Деформация, колебания и разрыв ядра
Застрявший нейтрон вызывает деформацию ядра. Начнутся колебания формы ядра, которые могут стать столь интенсивными, что ядро вытянется в «гантельку». Короткодействующие ядерные силы, скрепляющие небольшое число соседних нуклонов перешейка, не справятся с силами электрического отталкивания половинок гантельки, и в результате ядро разорвётся.
Осколки разлетятся с огромной скоростью - около скорости света. Они и уносят большую часть высвобождающейся энергии (около МэВ из ).
Деление тяжёлых ядер можно истолковать с точки зрения уже известного нам графика зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа (рис. 3 ).
Рис. 3. Деление тяжёлых ядер энергетически выгодно
Цветом выделена область , в которой удельная энергия связи достигает наибольшего значения МэВ/нуклон. Это область наиболее устойчивых ядер. Справа от этой области удельная энергия связи плавно уменьшается до МэВ/нуклон у ядра урана.
Процесс превращения менее устойчивых ядер в более устойчивые является энергетически выгодным и сопровождается выделением энергии. При делении ядра урана, как видим, удельная энергия связи повышается примерно на МэВ/нуклон; эта энергия как раз и выделяется в процессе деления. Умножив это на число нуклонов в ядре урана, получим приблизительно те самые МэВ энергетического выхода, о которых говорилось выше.
Цепная ядерная реакция
Появление двух-трёх нейтронов в процессе деления ядра урана - важнейший факт. Эти нейтроны «первого поколения» могут попасть в новые ядра и вызвать их деление; в результате деления новых ядер возникнут нейтроны «второго поколения», которые попадут в следующие ядра и вызовут их деление; возникнут нейтроны «третьего поколения», которые приведут к делению очередных ядер и т. д. Так идёт цепная ядерная реакция , в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии.
Для протекания цепной ядерной реакции необходимо, чтобы число высвободившихся нейтронов в очередном поколении было не меньше числа нейтронов в предыдущем поколении. Величина
называеся коэффициентом размножения нейтронов . Таким образом, цепная реакция идёт при условии class="tex" alt="k > 1"> . Если , то цепная реакция не возникает.
В случае class="tex" alt="k > 1"> происходит лавинообразное нарастание числа освобождающихся нейтронов, и цепная реакция становится неуправляемой . Так происходит взрыв атомной бомбы.
В ядерных реакторах происходит управляемая цепная реакция деления с коэффициентом размножения . Стационарное течение управляемой цепной реакции обеспечивается введением в активную зону реактора (то есть в ту область, где протекает реакция) специальных управляющих стержней, поглощающих нейтроны. При полностью введённых стержнях поглощение ими нейтронов настолько велико, что и реакция не идёт. В процессе запуска реактора стержни постепенно выводят из активной зоны, пока выделяемая мощность не достигнет требуемого уровня. Этот уровень тщательно контролируется, и при его превышении включаются устройства, вводящие управляющие стержни назад в активную зону.
Термоядерная реакция
Наряду с реакцией деления тяжёлых ядер энергетически возможным оказывается и обратный в некотором смысле процесс - синтез лёгких ядер , то есть слияние ядер лёгких элементов (расположенных в начале периодической таблицы) с образованием более тяжёлого ядра.
Чтобы началось слияние ядер, их нужно сблизить вплотную - чтобы вступили в действие ядерные силы. Для такого сближения нужно преодолеть кулоновское отталкивание ядер, резко возрастающее с уменьшением расстояния между ними. Это возможно лишь при очень большой кинетической энергии ядер, а значит - при очень высокой температуре (в десятки и сотни миллионов градусов). Поэтому реакция ядерного синтеза называется термоядерной реакцией .
В качестве примера термоядерной реакции приведём реакцию слияния ядер дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода), в результате которой образуется ядро гелия и нейтрон:
(9)
Эта реакция идёт с выделением энергии, равной МэВ (попробуйте сами провести расчёты и получить данную величину). Это очень много, если учесть, что в реакции участвуют всего нуклонов! В самом деле, в расчёте на один нуклон в реакции (9) выделяется энергия примерно МэВ, в то время как при делении ядра урана выделяется «всего» МэВ на нуклон.
Таким образом, термоядерные реакции служат источником ещё большего количества энергии, чем реакции деления ядер. С физической точки зрения это понятно: энергия реакции ядерного деления есть в основном кинетическая энергия осколков, разогнанных электрическими силами отталкивания, а при ядерном синтезе энергия высвобождается в результате разгона нуклонов навстречу друг другу под действием куда более мощных ядерных сил притяжения.
Проще говоря, при делении ядер высвобождается энергия электрического взаимодействия, а при синтезе ядер - энергия сильного (ядерного) взаимодействия.
В недрах звёзд достигаются температуры, подходящие для синтеза ядер. Свет Солнца и далёких звёзд несёт энергию, выделяющуяся в термоядерных реакциях - при слиянии ядер водорода в ядра гелия и последующем слиянии ядер гелия в ядра более тяжёлых элементов, расположенных в средней части периодической системы. Направление термоядерного синтеза показано на рис. 4 ; синтез лёгких ядер энергетически выгоден, так как направлен в сторону увеличения удельной энергии связи ядра.
Рис. 4. Синтез лёгких ядер энергетически выгоден
Неуправляемая термоядерная реакция осуществляется при взрыве водородной бомбы. Сначала взрывается встроенная атомная бомба - это нужно для создания высокой температуры на первой ступени термоядерного взрыва. При достижении необходимой температуры в термоядерном горючем бомбы начинаются реакции синтеза, и происходит взрыв собственно водородной бомбы.
Осуществление управляемой термоядерной реакции остаётся пока нерешённой проблемой, над которой физики работают уже более полувека. Если удастся добиться управляемого течения термоядерного синтеза, то человечество получит в своё распоряжение фактически неограниченный источник энергии. Это чрезвычайно важная задача, стоящая перед нынешним и будущими поколениями - в свете угрожающей перспективы истощения нефтегазовых ресурсов нашей планеты.
При низких (< 1 МэВ),
средних (1-100 МэВ) и высоких (> 100 МэВ) энергиях. Разграничивают р-ции
на легких ядрах ( ядра мишени А < 50), ядрах ср.
массы (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100).
Я
дерная может произойти, если две участвующие
в ней частицы сближаются на расстояние, меньшее диаметра ядра (ок. 10 -13
см), т. е. на расстояние, при к-ром действуют силы внутриядерного взаимод.
между составляющими ядра нуклонами. Если обе участвующие в ядерной частицы
- и бомбардирующая, и ядро мишени - заряжены положительно, то сближению
частиц препятствует сила отталкивания двух положит. зарядов, и бомбардирующая
частица должна преодолеть т.наз. кулоновский потенциальный барьер. Высота
этого барьера зависит от заряда бомбардирующей частицы и заряда ядра мишени.
Для ядер, отвечающих со ср. значениями , и бомбардирующих
частиц с зарядом +1, высота барьера составляет ок. 10 МэВ. В случае, если
в ядерной участвуют частицы, не обладающие зарядом (), кулоновский
потенциальный барьер отсутствует, и ядерные могут протекать с участием частиц,
имеющих тепловую энергию (т. е. энергию, отвечающую тепловым колебаниям
).
Обсуждается возможность протекания ядерных не в результате бомбардировки ядер мишени налетающими частицами, а за
счет сверхсильного сближения ядер (т. е. сближения на расстояния, сопоставимые
с диаметром ядра), находящихся в твердой или на пов-сти (напр., с участием ядер , растворенного в );
пока (1995) надежных данных об осуществлении таких ядерных ("холодного термоядерного
синтеза") нет.
Я
дерные подчиняются тем же общим законам
природы, что и обычные хим. р-ции ( и энергии, сохранения
заряда, импульса). Кроме того, при протекании ядерных действуют и нек-рые
специфич. законы, не проявляющиеся в хим. р-циях, напр., закон сохранения
барионного заряда (барионы - тяжелые ).
Записывать ядерные можно так, как это показано
на примере превращения ядер Рu в ядра Кu при облучении плутониевой мишени
ядрами :
Из этой записи видно, что суммы зарядов
слева и справа (94 + 10 = 104) и суммы (242 + 22 = 259 +
5)
равны между собой. Т. к. символ хим. элемента однозначно указывает на его
ат. номер (заряд ядра), то при записи ядерных значения заряда частиц обычно
не указывают. Чаще ядерные записывают короче. Так, ядерную образования
14 С при облучении ядер 14 N записывают
след. образом: 14 N(n, р) 14 С.
В скобках указывают сначала бомбардирующую
частицу иликвант,
затем, через запятую, образующиеся легкие частицы иликвант.
В соответствии с таким способом записи различают (n, р), (d,
р), (п, 2п)и др. ядерные
.
При столкновении одних и тех же частиц
ядерные могут идти разл. способами. Напр., при облучении алюминиевой мишени
могут протекать след. ядерные : 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
и др. Совокупность сталкивающихся частиц наз. входным каналом ядерной , а
частицы, рождающиеся в результате ядерной , образуют выходной канал.
Я
дерные могут протекать с выделением и поглощением
энергии Q. Если в общем виде записать ядерную как А(a,
b)В,
то
для такой ядерной энергия равна: Q = [(М А + М а)
- (М в + М b)] x с 2 ,
где М -массы участвующих в ядерной частиц; с - скорость света.
На практике удобнее пользоваться значениями дельтаМ
(см. ), тогда выражение для вычисления
Q имеет
вид:
причем из соображения удобства
обычно выражают в килоэлектронвольтах (кэВ, 1 а. е. м. = 931501,59 кэВ
= 1,492443 х 10 -7 кДж).
Изменение энергии, к-рым сопровождается
ядерная , может в 10 6 раз и более превышать энергию, выделяющуюся
или поглощающуюся при хим. р-циях. Поэтому при ядерной становится заметным
изменение масс взаимодействующих ядер: выделяемая или поглощаемая энергия
равна разности сумм масс частиц до и после ядерной . Возможность выделения
огромных кол-в энергии при осуществлении ядерных лежит в основе ядерной
(см. ). Исследование соотношений между энергиями
частиц, участвующих в ядерных , а также соотношений между углами, под к-рыми
происходит разлет образующихся частиц, составляет раздел ядерной физики
- кинематику ядерных р-ций.
Выходы ядерных , т. е. отношение числа ядерных к числу частиц, упавших на единицу площади (1 см 2) мишени, обычно не превышают 10 -6 -10 -3 . Для тонких мишеней (упрощенно тонкой можно назвать мишень, при прохождении через к-рую поток бомбардирующих частиц заметно не ослабевает) выход ядерной пропорционален числу частиц, попадающих на 1 см 2 пов-сти мишени, числу ядер, содержащихся в 1 см 2 мишени, а также значению эффективного сечения ядерной . Даже при использовании такого мощного источника налетающих частиц, каким является ядерный реактор, в течение 1 ч удается, как правило, получить при осуществлении ядерных под действием не более неск. мг , содержащих новые ядра. Обычно же масса в-ва, полученного в той или иной ядерной , значительно меньше.
Бомбардирующие частицы.
Для осуществления
ядерных используют n, р, дейтроны d, тритоны
t,
частицы, тяжелые (12 С, 22 Ne, 40 Аr
и др.), е икванты.
Источниками (см. )при проведении
ядерных служат: смеси металлич. Be и подходящегоизлучателя,
напр. 226 Ra (т. наз. ампульные источники), нейтронные генераторы,
ядерные реакторы. Т. к. в большинстве случаев
ядерных выше для с малыми энергиями (тепловые ), то перед
тем, как направить поток на мишень, их обычно замедляют, используя
, и др. материалы. В случае медленных осн. процесс
почти для всех ядер - радиационный захват - ядерная типа
т. к. кулоновский барьер ядра препятствует вылету ичастиц.
Под действием протекают цепные р-ции .
В случае использования в качестве бомбардирующих
частиц , дейтронов и др., несущих положит. заряд, бомбардирующую
частицу ускоряют до высоких энергий (от десятков МэВ до сотен ГэВ), используя
разл. ускорители. Это необходимо для того, чтобы заряженная частица могла
преодолеть кулоновский потенциальный барьер и попасть в облучаемое ядро.
При облучении мишеней положительно заряженными частицами наиб. выходы ядерных достигаются при использовании дейтронов. Связано это с тем, что энергия
связи и в дейтроне относительно мала, и соотв., велико
расстояние между и .
При использовании в качестве бомбардирующих
частиц дейтронов в облучаемое ядро часто проникает только один нуклон -
или , второй нуклон ядра дейтрона летит дальше, обычно в
том же направлении, что и налетающий дейтрон. Высокие эффективные сечения
могут достигаться при проведении ядерных между дейтронами и легкими ядрами
при сравнительно низких энергиях налетающих частиц (1-10 МэВ). Поэтому
ядерные с участием дейтронов можно осуществить не только при использовании
ускоренных на ускорителе дейтронов, но и путем нагревания смеси взаимодействующих
ядер до т-ры ок. 10 7 К. Такие ядерные называют термоядерными.
В природных условиях они протекают лишь в недрах звезд. На Земле термоядерные
р-ции с участием ,
Вспомним вкратце, что мы уже знаем об атоме:
- ядро атома имеет чрезвычайно большую плотность при очень малом размере (относительно самого атома);
- в ядре находятся протоны и нейтроны;
- электроны находятся вне ядра на энергетических уровнях;
- протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, а нейтроны - не имеют заряда. В целом атом нейтрален, т.к. имеет равное число протонов и электронов;
- количество нейтронов, находящихся в каждом атоме одного и того же элемента, может быть разным. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное кол-во нейтронов, называются изотопами .
В периодической таблице химический элемент "кислород" обозначается следующим образом:
- 16 - массовое число (сумма протонов и нейтронов);
- 8 - порядковый (атомный) номер элемента (количество протонов в ядре атома);
- О - обозначение элемента.
1. Радиоактивность
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.
Если нам известна одна из частиц, получившаяся при распаде, то можно вычислить и другую частицу, поскольку во время ядреной реакции соблюдается, так называемый, баланс масс ядерной реакции.
Суть ядерной реакции схематически можно выразить так:
Реагенты, вступающие в реакцию → Продукты, получившиеся в результате реакции
Ядерная реакция считается сбалансированной , если сумма атомных номеров элементов в левой части выражения будет равна сумме атомных номеров элементов, полученных после реакции. Это же условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 Х + 1 1 H
Какой Х-элемент будет находиться в правой части уравнения реакции?
Исходя из баланса масс ядерной реакции, атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В Периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Т.о., можно сказать, что в результате нашей ядерной реакции при бомбардировке изотопа хлора (хлор-35) нейтроном получается изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35). Этот процесс называют еще ядерным превращением .
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.
2. Почему изотопы распадаются?
В ядре атома находятся протоны (положительно заряженные частицы), которые сконцентрированы в очень малом пространстве. Ранее мы говорили, что в ядре атома действуют некие удерживающие силы (так называемый, "ядерный клей"), которые не дают одноименно заряженным нейтронам разорвать ядро атома. Но иногда энергия отталкивания частиц превосходит энергию склеивания, и ядро раскалывается на части - происходит радиоактивный распад.
Ученые установили, что все химические элементы, в ядре которых более 84 протонов (под этим порядковым номером в таблице находится полоний - Ро), являются нестабильными и время от времени подвергаются радиоактивному распаду. Однако, существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, но они также являются радиоактивными. Дело в том, что о стабильности изотопа можно судить по соотношению количества протонов и нейтронов атома. Изотоп будет нестабилен, если разность между количеством протонов и нейтронов велика (много протонов и мало нейтронов, либо мало протонов и много нейтронов). Изотоп элемента будет устойчивым, если количество нейтронов и протонов в его атоме примерно равно.
Поэтому, неустойчивые изотопы, подвергаясь радиоактивному распаду, превращаются в другие элементы. Процесс превращения будет идти до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп.
3. Период полураспада
Когда же происходит радиоактивный распад атома неустойчивого элемента? Это может произойти в любой момент: через пару мгновений, или через 100 лет. Но, если выборка атомов по определенному элементу достаточно велика, то можно вывести определенную закономерность.
Ниже в таблице приведены данные периода полураспада для некоторых радиоактивных изотопов
Период полураспада необходимо знать для того, чтобы определить время, когда радиоактивный элемент станет безопасен - это произойдет, когда его радиоактивность упадет настолько, что ее нельзя будет обнаружить, т.е., через 10 периодов полураспада.
4. Цепная ядерная реакция
В 30-х годах прошлого столетия ученые начали пытаться управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра. Например:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра . В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
Великий Альберт Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу: E = mc 2 , где
Е
- количество энергии;
m
- дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с
- скорость света = 300 000 км/с
Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.
Из приведенного выше уравнения расщепления урана-235 видно, что в процессе деления ядра расходуется один электрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных электрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т.д… Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией .
Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана (уран-238) невозможна, т.к. высвободится только один нейтрон:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Для ядерных реакций используют изотопы урана (уран-235) и плутона (плутон-239). Чтобы ядерная реакция смогла протекать самостоятельно, требуется определенное количество расщепляемого вещества, называемое критической массой . В противном случае число избыточных нейтронов будет недостаточным для осуществления ядерной реакции. Масса расщепляемого вещества меньше критической называется субкритической .
Ядерная реакция – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами) или друг с другом . Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:
где X и Y – исходные и конечные ядра, а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частица.
В ядерной физике эффективность взаимодействия характеризуют эффективным сечением σ. С каждым видом взаимодействия частицы с ядром связывают своё эффективное сечение: эффективное сечение рассеяния ; эффективное сечение поглощения .
Эффективное сечение ядерной реакции σ находится по формуле:
 ,
|
(9.5.1) |
где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объёма n ядер; dN – число этих частиц, вступающих в реакцию в слое толщиной dx . Эффективное сечение σ имеет размерность площади и характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдёт реакция.
Единица измерения эффективного сечения ядерных процессов – барн (1 барн = 10 –28 м 2).
В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел : сумма зарядов (и сумма массовых чисел) ядер и частиц , вступающих в реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции . Выполняются также законы сохранения энергии , импульса и момента импульса .
В отличие от радиоактивного распада, который всегда протекает с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермические (с выделением энергии), так и эндотермические (с поглощением энергии).
Важнейшую роль в объяснении механизма многих ядерных реакций сыграло предположение Н. Бора (1936 г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по следующей схеме :
| . | (9.5.2) |
Первая стадия – это захват ядром X частицы a , приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно ), и образование промежуточного ядра С , называемого составным (или компаунд-ядром). Энергия влетевшей в ядро частицы быстро распределяется между нуклонами составного ядра, в результате чего оно оказывается в возбуждённом состоянии. При столкновении нуклонов составного ядра, один из нуклонов (или их комбинация, например дейтрон) или α- частица могут получить энергию, достаточную для вылета из ядра. В результате наступает вторая стадия ядерной реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b .
В ядерной физике вводится характерное ядерное время – время , необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины равной диаметру ядра (). Так для частицы с энергией 1 МэВ (что соответствует её скорости 10 7 м/с) характерное ядерное время .С другой стороны, доказано, что время жизни составного ядра 10 –16 – 10 –12 с, т.е. составляет (10 6 – 10 10)τ. Это означает, что за время жизни составного ядра может произойти очень много столкновений нуклонов между собой, т.е. перераспределение энергии между нуклонами действительно возможно. Следовательно, составное ядро живет настолько долго, что полностью «забывает», каким образом оно образовалось. Поэтому характер распада составного ядра (испускаемые им частицы b ) – вторая стадия ядерной реакции – не зависит от способа образования составного ядра, первой стадии.
Если испущенная частица тождественна с захваченной (), то схема (4.5.2) описывает рассеяние частицы: упругое – при ; неупругое – при . Если же испущенная частица не тождественна с захваченной (), то имеем сходство с ядерной реакцией в прямом смысле слова.
Некоторые реакции протекают без образования составного ядра , они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).
Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам :
· по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов;
· по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (порядка электронвольтов), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (порядка до нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы); реакции, происходящие при высоких энергиях (сотни и тысячи МэВ), приводящие к появлению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющих большое значение для их изучения;
· по роду участвующих в них ядер – реакции на лёгких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
· по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переход в основное состояние, испускании одинго или нескольких γ-квантов).
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Ядерные реакции — это процессы, идущие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав исходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.
При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки (например, нейтронами) делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтеза происходит превращение легких ядер в более тяжелые.
Другими исследователями были обнаружены превращения под влиянием α-частиц ядер фтора , натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. Ядра тяжелых элементов не испытывали превращений. Очевидно, что их большой электрический заряд не позволял α-частице приблизиться к ядру вплотную.
Ядерная реакция на быстрых протонах.
Для осуществления ядерной реакции необходимо приближение частиц вплотную к ядру, что возможно для частиц с очень большой энергией (особенно для положительно заряженных частиц, которые отталкиваются от ядра). Такая энергия (до 10 5 МэВ) сообщается в ускорителях заряженных частиц протонам, дейтронам и др. частицам. Этот метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивным элементом (энергия которых составляет около 9 МэВ).
Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расще-пить литий на две α-частицы:
Ядерные реакции на нейтронах.
Открытие нейтронов явилось поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Лишен-ные заряда нейтроны беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, например:
Великий итальянский физик Энрико Ферми обнаружил, что медленные нейтроны (окаю 10 4 эВ) более эффективны в реакциях ядерных превращений, чем быстрые нейтропы (около 10 5 эВ). Поэ-тому быстрые нейтроны замедляют в обыкновенной воде, содержащей большое число ядер водоро-да — протонов. Эффект замедления объясняется тем, что при столкновении шаров одинаковой мас-сы происходит наиболее эффективная передача энергии.
Законы сохранения заряда, массового числа и энергии.
Многочисленные эксперименты по различного рода ядерным взаимодействиям показали, что во всех без исключения случаях сохраняется суммарный электрический заряд частиц, участвую-щих во взаимодействии. Другими словами, суммарный электрический заряд частиц, вступающих в ядерную реакцию, равен суммарному электрическому заряду продуктов реакции (как это и сле-дует ожидать согласно закону сохранения заряда для замкнутых систем). Кроме того, в ядерных реакциях обычного типа (без образования античастиц) наблюдается сохранение массового ядерно-го числа (т.е. полного числа нуклонов).
Сказанное подтверждается всеми приведенными выше типами реакций (суммы соответствую-щих коэффициентов при ядрах с левой и правой сторон уравнений реакции равны), см. табл.
Оба закона сохранения относятся также и к ядерным превращениям типа радиоактивных распадов.
В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетическим выходом реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реак-ции и после реакции. Согласно сказанному ранее, энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.
Если кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии, в противном случае - о ее поглощении. Последний случай осуществляется при бомбардировке азота α-частицами, часть энергии переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшихся ядер. При ядерной реакции кинетическая энергия образовавшихся ядер гелия на 17,3 МэВ больше кинетической энергии вступавшего в реакцию протона.