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.
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:
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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
На протяжении долгого времени человека не оставляли мечты о взаимопревращении элементов - точнее, о превращении различных металлов в один. После осознания бесплодности этих попыток утвердилась точка зрения о незыблемости химических элементов. И только открытие структуры ядра в начале XX века показало, что превращение элементов один в другой возможно - но не химическими методами, то есть воздействием на внешние электронные оболочки атомов, а путем вмешательства в структуру атомного ядра. Такого рода явления (и некоторые другие) относятся к ядерным реакциям, примеры которых будут рассмотрены ниже. Но прежде необходимо вспомнить о некоторых основных понятиях, которые потребуются в ходе этого рассмотрения.
Существуют явления, в которых ядро атома того или иного элемента вступает во взаимодействие с другим ядром или какой-либо элементарной частицей, то есть обменивается с ними энергией и импульсом. Подобные процессы и называются ядерными реакциями. Результатом их может стать изменение состава ядра или образование новых ядер с испусканием определенных частиц. При этом возможны такие варианты, как:
Начальная фаза реакции, определяемая типом и состоянием вступающих в нее частиц, называется входным каналом. Выходные каналы - это возможные пути, по которым реакция будет протекать.
В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.
Первый способ - тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой - продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:
9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.
Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние - количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.
Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:
9 4 Be (α, n) 12 6 C.
Общий вид такой записи: A (a, b 1 b 2 …) B. Здесь A - ядро-мишень; a - налетающая частица или ядро; b 1 , b 2 и так далее - легкие продукты реакции; B - конечное ядро.
В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.
Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.
В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы - разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = E св /c 2 . Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zm p + Am n - М я, где Z - заряд ядра, A - массовое число, m p - масса протона (1,00728 а.е.м.), m n - масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), M я - масса ядра.
При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc 2 /A).
Наибольшей устойчивостью, то есть наивысшей удельной энергией связи, отличаются ядра с массовым числом от 50 до 90, например, железо. Такой «пик стабильности» обусловлен нецентральным характером ядерных сил. Поскольку каждый нуклон взаимодействует только с соседями, на поверхности ядра он связан слабее, нежели внутри. Чем меньше в ядре взаимодействующих нуклонов, тем меньше и энергия связи, поэтому легкие ядра менее стабильны. В свою очередь, с ростом количества частиц в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, так что энергия связи тяжелых ядер тоже уменьшается.
Таким образом, для легких ядер наиболее вероятными, то есть энергетически выгодными, являются реакции слияния с формированием устойчивого ядра средней массы, для тяжелых же - напротив, процессы распада и деления (нередко многоступенчатые), в результате которых также образуются более стабильные продукты. Этим реакциям свойственен положительный и часто очень высокий энергетический выход, сопровождающий увеличение энергии связи.
Ниже мы рассмотрим некоторые примеры ядерных реакций.
Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.
Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число - на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:
226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).
Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.
Бета-распад, обусловленный происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:
18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .
Энергия бета-распада фтора-18 - около 0,63 МэВ.
Гораздо больший энергетический выход имеют реакции деления. Так называется процесс, при котором ядро самопроизвольно или вынужденно распадается на близкие по массе осколки (как правило, два, редко - три) и некоторые более легкие продукты. Ядро делится, если его потенциальная энергия превысит исходное значение на некоторую величину, называемую барьером деления. Однако вероятность спонтанного процесса даже для тяжелых ядер невелика.
Она существенно возрастает при получении ядром соответствующей энергии извне (при попадании в него частицы). Наиболее легко проникает в ядро нейтрон, поскольку он не подвержен силам электростатического отталкивания. Попадание нейтрона приводит к повышению внутренней энергии ядра, оно деформируется с образованием перетяжки и делится. Осколки разлетаются под действием кулоновских сил. Пример ядерной реакции деления демонстрирует уран-235, поглотивший нейтрон:
235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.
Расщепление на барий-144 и криптон-89 - лишь один из возможных вариантов деления урана-235. Эту реакцию можно записать в виде 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n, где 236 92 U* - сильно возбужденное составное ядро с высокой потенциальной энергией. Избыток ее наряду с разностью энергий связи материнского и дочерних ядер выделяется главным образом (около 80%) в форме кинетической энергии продуктов реакции, а также частично в форме потенциальной энергии осколков деления. Общая энергия деления массивного ядра - примерно 200 МэВ. В пересчете на 1 грамм урана-235 (при условии, что прореагировали все ядра) это составляет 8,2 ∙ 10 4 мегаджоулей.
Деление урана-235, а также таких ядер, как уран-233 и плутоний-239, характеризуется одной важной особенностью - наличием среди продуктов реакции свободных нейтронов. Эти частицы, проникая в другие ядра, в свою очередь, способны инициировать их деление опять-таки с вылетом новых нейтронов и так далее. Подобный процесс именуется цепной ядерной реакцией.
Течение цепной реакции зависит от того, как соотносится число вылетающих нейтронов очередного поколения с количеством их в предыдущем поколении. Это отношение k = N i /N i -1 (здесь N - количество частиц, i - порядковый номер поколения) носит название коэффициента размножения нейтронов. При k < 1 цепная реакция не идет. При k > 1 число нейтронов, а значит, и делящихся ядер, возрастает лавинообразно. Пример цепной ядерной реакции такого типа - взрыв атомной бомбы. При k = 1 процесс протекает стационарно, примером чему служит реакция, управляемая при помощи поглощающих нейтроны стержней, в ядерных реакторах.
Наибольшее энерговыделение (в расчете на один нуклон) происходит при слиянии легких ядер - так называемых реакциях синтеза. Чтобы вступить в реакцию, положительно заряженные ядра должны преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние сильного взаимодействия, не превышающее размеров самого ядра. Поэтому они должны обладать чрезвычайно большой кинетической энергией, что означает высокие температуры (десятки миллионов градусов и выше). По этой причине реакции синтеза еще называют термоядерными.
Пример ядерной реакции синтеза - образование гелия-4 с вылетом нейтрона при слиянии ядер дейтерия и трития:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.
Здесь высвобождается энергия 17,6 МэВ, что в расчете на один нуклон более чем в 3 раза превышает энергию деления урана. Из них 14,1 МэВ приходится на кинетическую энергию нейтрона и 3,5 МэВ - ядра гелия-4. Такая существенная величина создается за счет огромной разницы в энергиях связи ядер дейтерия (2,2246 МэВ) и трития (8,4819 МэВ) с одной стороны, и гелия-4 (28,2956 МэВ) - с другой.
В реакциях деления ядра высвобождается энергия электрического отталкивания, в то время как при синтезе энерговыделение происходит за счет сильного взаимодействия - самого мощного в природе. Это и определяет столь значительный энергетический выход данного типа ядерных реакций.
Рассмотрим реакцию деления 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Каков ее энергетический выход? В общем виде формула для его расчета, отражающая разность энергий покоя частиц до и после реакции, выглядит следующим образом:
Q = Δmc 2 = (m A + m B - m X - m Y + …) ∙ c 2 .
Вместо умножения на квадрат скорости света можно умножить разность масс на коэффициент 931,5 и получить значение энергии в мегаэлектронвольтах. Подставив в формулу соответствующие значения атомных масс, получим:
Q = (235,04393 + 1,00866 - 139,92164 - 93,91536 - 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 МэВ.
Еще один пример - на реакцию синтеза. Это один из этапов протон-протонного цикла - главного источника солнечной энергии.
3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.
Применим ту же формулу:
Q = (2 ∙ 3,01603 - 4,00260 - 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 МэВ.
Основная доля этой энергии - 12,8 МэВ - приходится в данном случае на гамма-фотон.
Мы рассмотрели только простейшие примеры ядерных реакций. Физика этих процессов чрезвычайно сложна, они отличаются огромным разнообразием. Исследование и применение ядерных реакций имеет большое значение как в практической области (энергетика), так и в фундаментальной науке.
Теория относительности говорит, что масса - это особая форма энергии. Из этого следует, что можно преобразовать массу в энергию и энергию в массу. На внутриатомном уровне такие реакции имеют место. В частности, некоторое количество массы самого вполне может превратиться в энергию. Это происходит по нескольким путям. Во-первых, ядро может распасться на некоторое количество более мелких ядер, эта реакция называется «распадом». Во-вторых, более мелкие ядра могут запросто соединиться, чтобы получилось более крупное, - это реакция синтеза. Во Вселенной такие реакции весьма распространены. Достаточно сказать, что реакция синтеза - источник энергии для звезд. А вот реакция распада используется человечеством на так как люди научились контролировать эти сложные процессы. Но что же такое цепная ядерная реакция? Как ею управлять?
Цепная ядерная реакция - процесс, идущий при столкновении элементарных частиц или ядер с другими ядрами. Почему «цепная»? Это совокупность последовательных одиночных ядерных реакций. В результате этого процесса происходит изменение квантового состояния и нуклонного состава у исходного ядра, появляются даже новые частицы - продукты реакции. Цепная ядерная реакция, физика которой позволяет исследовать механизмы взаимодействия ядер с ядрами и с частицами, - это основной метод для получения новых элементов и изотопов. Для того чтобы понять протекание цепной реакции, надо вначале разобраться с одиночными.
Для того чтобы осуществить такой процесс, как цепная ядерная реакция, необходимо сблизить частицы (ядро и нуклон, два ядра) на расстояние радиуса сильного взаимодействия (примерно один ферми). Если расстояния большие, то взаимодействие заряженных частиц будет чисто кулоновским. В ядерной реакции соблюдаются все законы: сохранение энергии, момента, импульса, барионного заряда. Цепная ядерная реакция обозначается набором символов а, b, с, d. Символ а обозначает исходное ядро, b - налетающую частицу, с - новую вылетающую частицу, а d обозначает результирующее ядро.
Цепная ядерная реакция может проходить как с поглощением, так и с выделением энергии, которая равняется разности масс частиц после реакции и до нее. Поглощаемая энергия определяет минимальную кинетическую энергию столкновения, так называемый порог ядерной реакции, при которой она может свободно протекать. Данный порог зависит от частиц, которые участвуют во взаимодействии, и от их характеристик. На начальном этапе все частицы находятся в заранее определенном квантовом состоянии.
Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций - как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции - величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.
Что такое цепная ядерная реакция? Как уже говорилось, это последовательность более простых реакций. Характеристики налетающей частицы и ее взаимодействия с ядром зависят от массы, заряда, кинетической энергии. Взаимодействие определяется степенью свободы ядер, которые и возбуждаются при столкновении. Получение контроля над всеми этими механизмами позволяет проводить такой процесс, как управляемая цепная ядерная реакция.
Если заряженная частица, которая налетает на ядро-мишень, только касается его, то длительность столкновения будет равна необходимому для преодоления расстояния радиуса ядра. Такую ядерную реакцию называют прямой. Общей характеристикой для всех реакций такого типа является возбуждение малого числа степеней свободы. В таком процессе после первого столкновения частица имеет еще достаточно энергии для преодоления ядерного притяжения. К примеру, такие взаимодействия, как неупругое рассеивание нейтронов, обмен заряда, и относятся к прямым. Вклад таких процессов в характеристику под названием "полное сечение" достаточно мизерный. Однако распределение продуктов прохождения прямой ядерной реакции позволяет определить вероятность вылета от угла направления пучка, селективность заселенных состояний и определить их структуру.
Если частица не покинет область ядерного взаимодействия после первого же столкновения, то она будет вовлечена в целый каскад из последовательных столкновений. Это фактически как раз то, что называется цепной ядерной реакцией. В результате такой ситуации кинетическая энергия частицы распределяется среди составляющих частей ядра. Само же состояние ядра будет постепенно сильно усложняться. Во время этого процесса на каком-то нуклоне или же целом кластере (группе нуклонов) может быть сконцентрирована энергия, достаточная для эмиссии этого нуклона из ядра. Дальнейшая релаксация приведет к формированию статистического равновесия и образования составного ядра.
Что такое цепная ядерная реакция? Это последовательность ее составных частей. То есть множественные последовательные единичные ядерные реакции, вызванные заряженными частицами, появляются как продукты реакции на предыдущих шагах. Что называется цепной ядерной реакцией? К примеру, деление тяжелых ядер, когда множественные акты деления инициируются полученными при предыдущих распадах нейтронами.
Среди всех химических реакций большое распространение получили именно цепные. Частицы с неиспользованными связями выполняют роль свободных атомов или радикалов. При таком процессе, как цепная ядерная реакция, механизм ее протекания обеспечивают нейтроны, которые не имеют кулоновского барьера и возбуждают ядро при поглощении. Если в среде появляется необходимая частица, то она вызывает цепь последующих превращений, которые будут продолжаться до разрыва цепи из-за потери частицы-носителя.
Есть всего две причины потери частицы-носителя непрерывной цепи реакций. Первая заключается в поглощении частицы без процесса испускания вторичной. Вторая - уход частички за предел объема вещества, которое поддерживает цепной процесс.
Если в каждом периоде цепной реакции рождается исключительно единичная частичка-носитель, то можно назвать этот процесс неразветвленным. Она не может привести к выделению энергии в больших масштабах. Если же появилось много частиц-носителей, то это называется разветвленной реакцией. Что такое цепная ядерная реакция с разветвлением? Одна из полученных в предыдущем акте вторичных частиц продолжит начатую ранее цепь, а вот другие создадут новые реакции, которые тоже будут ветвиться. С этим процессом будут конкурировать приводящие к обрыву процессы. Полученная в результате ситуация будет порождать специфические критические и предельные явления. Например, если обрывов больше, чем чисто новых цепей, то самоподдерживание реакции будет невозможным. Даже если возбудить ее искусственно, введя в данную среду нужное количество частиц, то процесс все равно будет затухать со временем (обычно довольно быстро). Если же количество новых цепей будет превосходить количество обрывов, то цепная ядерная реакция начнет распространяться по всему веществу.
Критическим состоянием отделяют область состояния вещества с развитой самоподдерживающейся цепной реакцией, и область, где данная реакция невозможна вообще. Этот параметр характеризуется равенством между количеством новых цепей и числом возможных обрывов. Как и наличие свободной частицы-носителя, критическое состояние является основным пунктом в таком списке, как «условия осуществления цепной ядерной реакции». Достижение этого состояния может быть определено целым рядом возможных факторов. тяжелого элемента возбуждается всего одним нейтроном. В результате такого процесса, как цепная ядерная реакция деления, появляется больше нейтронов. Следовательно, этот процесс может произвести разветвленную реакцию, где носителями и будут выступать нейтроны. В том случае, когда скорость захватов нейтронов без деления или вылетов (скорость потери) будет компенсироваться скоростью размножения несущих частиц, то цепная реакция будет протекать в стационарном режиме. Это равенство характеризует коэффициент размножения. В приведенным выше случае он равен единице. В благодаря введению между скоростью выделения энергии и коэффициентом размножения возможно осуществить управление протеканием ядерной реакции. Если же этот коэффициент будет больше чем единица, то реакция будет развиваться по экспоненте. Неуправляемые цепные реакции используют в ядерном оружии.
Реактивность реактора определяется большим количеством процессов, которые происходят в его активной зоне. Все эти влияния определяются так называемым коэффициентом реактивности. Влияние изменения температуры графитовых стержней, теплоносителей или урана на реактивность реактора и интенсивность протекания такого процесса, как цепная ядерная реакция, характеризуются температурным коэффициентом (по теплоносителю, по урану, по графиту). Также есть зависимые характеристики по мощности, по барометрическим показателям, по паровым показателям. Для поддержания ядерной реакции в реакторе необходимо превращение одних элементов в другие. Для этого нужно учитывать условия протекания цепной ядерной реакции - наличие вещества, которое способно делиться и выделять из себя при распаде некоторое количество элементарных частиц, которые, как следствие, будут вызывать деление остальных ядер. В качестве такого вещества зачастую используют уран-238, уран-235, плутоний-239. Во время прохождения цепной ядерной реакции изотопы данных элементов будут распадаться и образовывать два и более других химических веществ. При этом процессе излучаются так называемые «гамма»-лучи, происходит интенсивное выделение энергии, образуются два или три нейтрона, способные продолжить акты реакции. Различают медленные нейтроны и быстрые, ведь для того чтобы ядро атома распалось, эти частички должны пролететь с определенной скоростью.
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:
