Definicja 1
Reakcja jądrowa V w szerokim znaczeniu to proces zachodzący w wyniku oddziaływania kilku złożonych jąder atomowych lub cząstek elementarnych. Reakcje jądrowe nazywane są także reakcjami, w których wśród cząstek początkowych znajduje się co najmniej jedno jądro, łączy się ono z innym jądrem lub cząstką elementarną, w wyniku czego zachodzi reakcja jądrowa i powstają nowe cząstki.
Z reguły reakcje jądrowe zachodzą pod działaniem sił nuklearnych. Jednakże reakcja jądrowa rozpadu jądrowego pod wpływem $\gamma $ - kwantów wysokie energie lub szybkie elektrony zachodzą pod wpływem sił elektromagnetycznych, a nie jądrowych, z tego powodu, że siły jądrowe nie działają na fotony i elektrony. Reakcje jądrowe obejmują procesy zachodzące, gdy neutrina zderzają się z innymi cząstkami, ale zachodzą przy słabym oddziaływaniu.
Reakcje jądrowe mogą zachodzić w warunkach naturalnych (w głębinach gwiazd, w promieniowaniu kosmicznym). Badanie reakcji jądrowych odbywa się w laboratoriach wykorzystujących urządzenia doświadczalne, w których energia przekazywana jest na naładowane cząstki za pomocą akceleratorów. W tym przypadku cięższe cząstki pozostają w spoczynku i nazywane są cząstki docelowe. Są atakowane przez lżejsze cząstki, które wchodzą w skład przyspieszonej wiązki. W zderzających się akceleratorach wiązek dzielenie na cele i wiązki nie ma sensu.
Energia dodatnio naładowanej cząstki wiązki musi być rzędu lub większa niż bariera potencjału Coulomba jądra. W 1932 roku J. Cockcroft i E. Walton jako pierwsi sztucznie rozszczepili jądra litu, bombardując je protonami o energii mniejszej niż wysokość bariery Coulomba. Penetracja protonu do jądra litu nastąpiła poprzez przejście tunelowe przez barierę potencjału Coulomba. W przypadku cząstek ujemnie naładowanych i obojętnych bariera potencjału Coulomba nie istnieje, a reakcje jądrowe mogą zachodzić nawet przy energiach cieplnych padających cząstek.
Najbardziej powszechny i wizualny zapis reakcji jądrowych pochodzi z chemii. Po lewej stronie znajduje się suma cząstek przed reakcją, a po prawej suma końcowych produktów reakcji:
opisuje reakcję jądrową zachodzącą w wyniku bombardowania izotopu litu $()^7_3(Li)$ przez protony, w wyniku czego powstaje neutron i izotop berylu $()^7_4(Be)$.
Reakcje jądrowe są często zapisywane w formie symbolicznej: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, gdzie $A$ to jądro docelowe, $a$ to bombardująca cząstka, $bcd\dots i\ B$ - - odpowiednio cząstki i jądro powstałe w wyniku reakcji. Powyższą reakcję można zapisać jako $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Czasami stosuje się zapis go $(p,n)$, który oznacza wybicie neutronu z określonego jądra pod wpływem protonu.
Ilościowy opis reakcji jądrowych z punktu widzenia mechaniki kwantowej jest możliwy jedynie statystycznie, tj. możemy mówić o pewnym prawdopodobieństwie różnych procesów charakteryzujących reakcję jądrową. Zatem reakcja $a+A\na b+B$, w stanie początkowym i końcowym, w której znajdują się po dwie cząstki, w tym rozumieniu jest całkowicie scharakteryzowana przez przekrój różniczkowy efektywnego rozpraszania $d\sigma /d\Omega $ wewnątrz ciała wycięcie $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, gdzie $\theta $ i $\varphi $ to biegunowy i azymutalny kąt wyjścia jednej cząstki, natomiast kąt $\theta $ liczony jest od początku ruchu bombardującej cząstki. Zależność różnicowego przekroju poprzecznego od kątów $\theta $ i $\varphi $ nazywa się rozkładem kątowym cząstek tworzących reakcję. Całkowity lub całkowity przekrój, który charakteryzuje intensywność reakcji, jest różnicowym efektywnym przekrojem zintegrowanym po wszystkich wartościach kątów $\theta $ i $\varphi $:
Efektywny przekrój poprzeczny można interpretować jako obszar, w którym padająca cząstka wywoła daną reakcję jądrową. Efektywny przekrój reakcji jądrowej mierzony jest w stodołach $1\ b=(10)^(-28)\m^2$.
Reakcje jądrowe charakteryzują się wydajnością reakcji. Wydajność reakcji jądrowej $W$ to ułamek cząstek wiązki, które otrzymały oddziaływanie jądrowe z cząsteczkami docelowymi. Jeśli $S$ jest polem przekroju poprzecznego wiązki, $I$ jest gęstością strumienia wiązki, wówczas cząsteczki $N=IS$ padają na ten sam obszar docelowy co sekundę. Średnio cząstki $\triangle N=IS\sigma n$ reagują z nich na sekundę, gdzie $\sigma $ to efektywny przekrój poprzeczny reakcji cząstek wiązki, $n$ to koncentracja jąder na celu. Następnie:
Reakcje jądrowe można klasyfikować według następujących cech:
Na podstawie wartości energetycznej $E$ cząstek wywołujących reakcje wyróżnia się następujące reakcje:
W zależności od energii cząstki $a$, dla tych samych jąder $A$ zachodzą różne przemiany w reakcjach jądrowych. Rozważmy na przykład reakcję bombardowania izotopu fluoru neutronami o różnych energiach:
Rysunek 1.
W zależności od charakteru cząstek biorących udział w reakcjach jądrowych dzieli się je na następujące typy:
Ze względu na liczbę masową jąder reakcje jądrowe dzielą się na następujące typy:
Ze względu na charakter przemian zachodzących w jądrze reakcje dzielimy na:
Rozważając reakcje jądrowe, stosuje się następujące prawa:
Uwaga 1
Prawa zachowania pozwalają przewidzieć, które mentalnie możliwe reakcje mogą zostać zrealizowane, a które nie z powodu niepowodzenia jednego lub większej liczby praw zachowania. W tym kontekście prawa ochrony odgrywają szczególnie ważną rolę w reakcjach jądrowych.
Reakcję jądrową charakteryzuje energia reakcji jądrowej $Q$. Jeżeli reakcja przebiega z wydzieleniem energii $Q >0$, wówczas reakcję nazywamy egzotermiczną; jeśli reakcja zachodzi z absorpcją ciepła $Q
Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych podczas interakcji z cząstkami elementarnymi (w tym kwantami γ) lub między sobą. Symbolicznie reakcje zapisuje się jako:
X + a → Y + b lub X(a, b) Y
gdzie X i Y to jądra początkowe i końcowe, aib to cząstki bombardujące i emitowane (lub emitowane) w reakcji jądrowej.
W każdej reakcji jądrowej spełnione są prawa zachowania ładunki elektryczne i liczby masowe: suma ładunków (i liczb masowych) jąder i cząstek biorących udział w reakcji jądrowej jest równa sumie ładunków (i sumie liczb masowych) produktów końcowych (jąder i cząstek) reakcji reakcja. Spełnione są także zasady zachowania energii, pędu i momentu pędu.
Reakcje jądrowe mogą być egzotermiczne (uwalniające energię) lub endotermiczne (pochłaniające energię).
Reakcje jądrowe dzieli się na:
1) według rodzaju uczestniczących w nich cząstek - reakcje pod wpływem neutronów; naładowane cząstki; γ-kwanty;
2) w zależności od energii cząstek je wywołujących - reakcje przy niskich, średnich i wysokich energiach;
3) w zależności od rodzaju zaangażowanych w nie jąder - reakcje na płuca (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) rdzenie;
4) ze względu na charakter zachodzących przemian jądrowych - reakcje z emisją neutronów i cząstek naładowanych; reakcje wychwytu (w przypadku tych reakcji jądro związku nie emituje żadnych cząstek, lecz przechodzi do stanu podstawowego, emitując jeden lub więcej kwantów γ).
Pierwszą reakcję nuklearną w historii przeprowadził Rutherford
1939 - O. Hahn i F. Strassmann odkryli rozszczepienie jąder uranu: podczas bombardowania uranu neutronami pojawiają się elementy środkowej części układ okresowy– radioaktywne izotopy baru (Z = 56), kryptonu (Z = 36) – fragmenty rozszczepienia itp. Rozszczepieniu ciężkiego jądra na dwa fragmenty towarzyszy uwolnienie energii około 1 MeV na nukleon.
Na przykład istnieją dwie możliwe opcje reakcji rozszczepienia jąder uranu.
Każdy z natychmiastowych neutronów powstałych w reakcji rozszczepienia, oddziałując z sąsiednimi jądrami substancji rozszczepialnej, powoduje w nich reakcję rozszczepienia. Jednocześnie to idzie lawinowe rozpoczyna się wzrost liczby zdarzeń rozszczepienia reakcja łańcuchowa rozszczepienia - reakcja jądrowa, w której cząstki wywołujące reakcję powstają jako produkty tej reakcji. Warunkiem zajścia reakcji łańcuchowej jest obecność powielających się neutronów.
Współczynnik mnożenia neutronów k jest stosunkiem liczby neutronów wytworzonych w danym etapie reakcji do liczby takich neutronów w poprzednim etapie.
Warunek wstępny rozwój reakcji łańcuchowej: k >1. Reakcję tę nazywa się reakcją rozwijającą. Gdy k = 1, zachodzi reakcja samopodtrzymująca. w k<1 идет затухающая реакция.
Współczynnik mnożenia zależy od charakteru substancji rozszczepialnej, a dla danego izotopu od jej ilości, a także wielkości i kształtu strefy aktywnej – przestrzeni, w której zachodzi reakcja łańcuchowa.
Minimalne wymiary rdzenia, przy których możliwa jest reakcja łańcuchowa, nazywane są wymiarami krytycznymi.
Masą krytyczną nazywa się minimalną masę materiału rozszczepialnego znajdującą się w układzie wymiarów krytycznych niezbędną do zajścia reakcji łańcuchowej.
Reakcje łańcuchowe dzielimy na kontrolowane i niekontrolowane. Wybuch bomby atomowej jest przykładem niekontrolowanej reakcji. Kontrolowane reakcje łańcuchowe zachodzą w reaktorach jądrowych.
Urządzenie utrzymujące kontrolowaną reakcję rozszczepienia jądrowego nazywa się reaktorem jądrowym (lub atomowym). Reaktory jądrowe stosowane są na przykład w elektrowniach jądrowych.
Rozważmy schemat powolnego reaktora neutronowego. Paliwem jądrowym w takich reaktorach może być:
1) - uran naturalny zawiera około 0,7%;
2), otrzymane ze schematu
3) otrzymany z toru zgodnie ze schematem
W rdzeniu reaktora znajdują się elementy paliwowe wykonane z paliwa jądrowego (pręty paliwowe) 1 i moderator 2 (w którym neutrony są spowalniane do prędkości termicznych). Elementy paliwowe to bloki materiału rozszczepialnego zamknięte w szczelnej obudowie, która słabo pochłania neutrony. Ze względu na energię uwalnianą podczas rozszczepienia jądrowego elementy paliwowe nagrzewają się, dlatego w celu ochłodzenia umieszcza się je w strumieniu chłodziwa 3. Rdzeń otoczony jest reflektorem 4, co zmniejsza wyciek neutronów. Stan ustalony reaktora utrzymywany jest za pomocą prętów regulacyjnych 5 wykonanych z materiałów silnie pochłaniających neutrony, np.
z boru lub kadmu. Czynnikiem chłodzącym w reaktorze jest woda, ciekły sód itp. Czynnik chłodzący w generatorze pary oddaje ciepło parze, która wchodzi do turbiny parowej. Turbina obraca generator elektryczny, z którego prąd wpływa do sieci elektrycznej.
Istnieją różne interpretacje terminu reakcje jądrowe. W szerokim znaczeniu reakcja jądrowa to dowolny proces rozpoczynający się od zderzenia dwóch, rzadko kilku cząstek (prostych lub złożonych) i przebiegający z reguły z udziałem oddziaływań silnych. Tę definicję spełniają także reakcje jądrowe w wąskim znaczeniu tego słowa, rozumiane jako procesy rozpoczynające się od zderzenia cząstki prostej lub złożonej (nukleonu, cząstki α, kwantu y) z jądrem. Należy zauważyć, że definicja reakcji jest również spełniona, w szczególnym przypadku, przez rozpraszanie cząstek.1 Poniżej podano dwa przykłady reakcji jądrowych.
Historycznie rzecz biorąc, pierwsza reakcja jądrowa (Rutherford, 1919 - odkrycie protonu):
Odkrycie neutronu (Chadwick, 1932):
Badanie reakcji jądrowych jest niezbędne do uzyskania informacji o właściwościach nowych jąder i cząstek elementarnych, stanach wzbudzonych jąder itp. Nie zapominajmy, że w mikroświecie, ze względu na istnienie praw kwantowych, na cząstkę czy jądro nie można „patrzeć”. Dlatego główną metodą badania mikroobiektów jest badanie ich zderzeń, czyli reakcji jądrowych. Jeśli chodzi o zastosowania, reakcje jądrowe są potrzebne do wykorzystania energii jądrowej, a także do produkcji sztucznych radionuklidów.
Reakcje jądrowe mogą zachodzić w warunkach naturalnych (na przykład we wnętrzu gwiazd lub w promieniowaniu kosmicznym). Ale ich badania zwykle przeprowadza się w warunkach laboratoryjnych, w obiektach doświadczalnych. Aby przeprowadzić reakcje jądrowe, konieczne jest zbliżenie cząstek lub jąder razem z jądrami na odległości rzędu promienia działania sił jądrowych. Bariera Coulomba zapobiega zbliżaniu się naładowanych cząstek do jąder. Dlatego do przeprowadzania reakcji jądrowych na naładowanych cząstkach używają akceleratory, w którym cząstki przyspieszając w polu elektrycznym uzyskują energię niezbędną do pokonania bariery. Czasami energia ta jest porównywalna z energią spoczynkową cząstki lub nawet ją przekracza: w tym przypadku ruch opisują prawa mechaniki relatywistycznej. W konwencjonalnych akceleratorach ( akcelerator liniowy, cyklotron itd.) cięższa z dwóch zderzających się cząstek z reguły pozostaje w spoczynku, a lżejsza atakuje. Cząstka będąca w spoczynku nazywa się cel (angielski - cel). Nakładanie się lub bombardowanie, cząstki nie otrzymały specjalnej nazwy w języku rosyjskim (w języku angielskim używa się terminu pocisk - pocisk). W zderzających się akceleratorach wiązek (zderzacze) obie zderzające się cząstki poruszają się, więc podział na cel i wiązkę padających cząstek traci sens.
Energia naładowanej cząstki w reakcji może być mniejsza niż wysokość bariery Coulomba, jak miało to miejsce w klasycznych eksperymentach J. Cockcrofta i E. Waltona, którzy w 1932 roku sztucznie rozszczepili jądra litu bombardując je przyspieszonymi przebiegami . W ich eksperymentach penetracja protonu do jądra docelowego nastąpiła poprzez tunelowanie przez barierę potencjału Coulomba (patrz Wykład 7). Prawdopodobieństwo takiego procesu jest oczywiście bardzo niskie ze względu na małą przezroczystość bariery.
Istnieje kilka sposobów symbolicznego zapisywania reakcji jądrowych, z których dwa podano poniżej:
Zbiór zderzających się cząstek w określonym stanie kwantowym (np. R i Li) są nazywane kanał wejściowy reakcja nuklearna. W zderzeniach tych samych cząstek (stały kanał wejściowy) w ogólnym przypadku mogą pojawić się różne produkty reakcji. Zatem w zderzeniach protonów z Li zachodzą reakcje Li (R, 2a), Li (R,P) Bądź, 7 Li(/;, zm Bądź i inni W tym przypadku mówimy o konkurencyjnych procesach lub o zestawie kanały wyjściowe.
Reakcje jądrowe często zapisuje się w jeszcze krótszej formie: (a, b) - te. wskazując jedynie lekkie cząstki i nie wskazując jąder biorących udział w reakcji. Na przykład wpis (/>, P) oznacza wybicie neutronu z jądra przez proton, ( N, y) - absorpcja neutronu przez jądro z emisją kwantu y itp.
Klasyfikacja reakcji jądrowych można przeprowadzić według następujących kryteriów:
I. Według rodzaju procesu
//. Opiera się na uwalnianiu lub pochłanianiu energii
III. Energią bombardujących cząstek
IV. Według masy bombardowanych jąder
V Według rodzaju bombardujących cząstek
20.5.7. Podczas rezonansowego wychwytu neutronu przez izotop uranu 292U, izotop radioaktywny uran 239U. Ulega rozpadowi P i zamienia się w izotop pierwiastka transuranowego, neptunu 2^Np. Neptun jest P-radioaktywny i ulega konwersji
przekształca się w pluton 94Pu, który odgrywa kluczową rolę w pozyskiwaniu energii jądrowej. Zapisz opisane reakcje jądrowe.
20.5.8. Większość reakcji jądrowych może zachodzić na kilka sposobów, zwanych „kanałami reakcji”. Na przykład, gdy izotop litu 7Ll zostanie napromieniowany protonami,
398
do podziału: a) dwa identyczne jądra; b) jądro izotopowe berylu Be i neutron. Zapisz reakcje wskazanych „kanałów reakcji”.
20.5.9. Wpisz brakujące symbole w następujących reakcjach:
h 27.. ,1 A„, 4TT... 56--, A„56„, 1
a) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; b) 25 MP + z X ^ 26Fe + 0 n;
A 1 22 4 27 26 A
c) ZX +iH^nNa + 2He; d) 13Al + Y ^ 12Mg + zx*
20.5.10. Pierwiastek rutherford otrzymano przez napromienianie plutonu.
94Pu przez jądra neonu 10Ne. Zapisz reakcję, jeśli wiadomo, że oprócz niej powstają jeszcze cztery neutrony.
20.6. Energia reakcji jądrowej
20.6.1. Określ energię reakcji jądrowej 3Li + 1H ^ ^24He.
20.6.2. Określ skutki termiczne następujących reakcji:
a) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; b) 4Be + 0n ^ 4Be + y;
7 4 10 1 16 2 14 4
c) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n; d) 8O + 1 d ^ 7N + 2a.
20.6.3. Jaka jest minimalna energia, jaką musi mieć cząstka a?
przeprowadzić reakcję jądrową 3Li + 2He ° 5B + 0n?
20.6.4. Znajdź energię kwantu Y wyemitowanego podczas reakcji jądrowej
23 reakcje 1H + n^1H + Y.
20.6.5. Kiedy eksploduje bomba wodorowa, zachodzi reakcja termojądrowa polegająca na tworzeniu atomów helu 4He z deuteru 1H i trytu 1H.
Napisz reakcję jądrową i określ, jaką energię wydziela.
20.6.6. Określ energię reakcji jądrowej 4Be +1H^
^14Bądź+^H. Jaka energia zostanie uwolniona podczas całkowitej reakcji berylu o masie m = 1 g?
20.6.7. Reakcja termojądrowa 1h + 2He ^ 4He + ^p zachodzi przy wyzwoleniu energii E1 = 18,4 MeV. W jakiej energii zostanie uwolniona
reakcja 3He + 2He ^ !He + 2^ , jeśli defekt masy jądra 2He wynosi
Am = 0,006 amu więcej niż jądro 1H?
399
20.6.8. Korzystając z definicji energii wiązania, pokaż, że energię potrzebną do podziału jądra C na jądra A i B można przedstawić jako: Eab = Ec - (Ea + Eb), gdzie Ea, Eb, Ec są energiami wiązania odpowiednich jąder . Wyznacz energię potrzebną do rozdzielenia jądra tlenu 16O na cząstkę alfa i jądro węgla 12C. Energie wiązania: E16^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12^ =
92,16 MeV.
20.6.9. W reakcji 3Li + 1H ^ 3Li + 1p uwalniana jest energia Q = 5,028 MeV. Energia wiązania jądra litu wynosi E1 = 39,2 MeV, deuteru E2 = 1,72 MeV. Określ masę jądra litu.
20.6.10. Kiedy rozszczepienie jąder z konkretna energia wiązanie є = = 8,5 MeV/nukleon, powstają dwa fragmenty - jeden o liczbie masowej Ai = 140 i właściwej energii wiązania Єї = 8,3 MeV/nukleon, drugi o liczbie masowej A2 = 94 i właściwej energii wiązania є2 = 8,6 MeV . Oszacuj ilość ciepła, która zostanie uwolniona podczas podziału masy m = 1 g pierwotnych jąder. Policz tr = mn =
1,6724 10-27 kg.
20.6.11. Zakładając, że w jednym akcie rozszczepienia jądra uranu 235U uwolniona zostanie energia Eo = 200 MeV, wyznacz energię uwolnioną podczas spalania m = 1 kg uranu oraz masę węgla mi, termicznie równoważną 1 kg uranu .
20.6.12. Podczas rozszczepienia jądra uranu 235U uwalniana jest energia Q = 200 MeV. Jaką część pozostałej energii uranu stanowi energia uwolniona?
20.6.13. Wyznacz masowy przepływ paliwa jądrowego 235U w reaktor jądrowy elektrownia jądrowa. Moc cieplna elektrownie P = 10 MW; jego wydajność n = 20%. Energia uwolniona podczas jednego zdarzenia rozszczepienia wynosi Q = 200 MeV.
20.6.14. Znajdź moc elektrownia jądrowa, zużywający m = 220 g izotopu uranu 235U dziennie i posiadający wydajność n = 25%. Załóżmy, że w jednym przypadku rozszczepienia 235U uwolniona zostanie energia Q = 200 MeV.
20.6.15. Do stopienia aluminium wykorzystuje się energię uwolnioną podczas rozpadu pozytonu P izotopów węgla 11C, przy czym każde jądro węgla emituje jeden pozyton. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Ile węgla 1I1C jest potrzebne
stopienie M = 100 ton aluminium w i = 30 minut, jeśli początkowa temperatura aluminium wynosi 0° = 20°C?
20.6.16. Sód i Na o masie m = 10 g, ulegające elektronicznemu rozpadowi P, umieszcza się w ampułce w zbiorniku zawierającym
400
M = 1000 ton wody. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Okres
czas rozpadu sodu T = ^ dni. O ile stopni wzrośnie temperatura wody w ciągu pierwszych 24 godzin od rozpoczęcia rozkładu sodu?
20.6.17. Polon 84P0 rozpada się wraz z emisją cząstki alfa
i powstawanie jąder ołowiu. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Okres półtrwania polonu wynosi T = 140 dni. Jaką masę lodu w temperaturze 0 = 0 0C można stopić wykorzystując energię uwolnioną podczas rozpadu m = 10 g polonu w czasie t = 35 dni?
20.7. Reakcje jądrowe i prawa zachowania
20.7.1. Jądro polonu 84P0 w stanie spoczynku wyrzuciło cząstkę alfa o energii kinetycznej Ek = 5,3 MeV. Wyznacz energię kinetyczną jądra odrzutu i całkowitą energię uwolnioną podczas rozpadu a.
