Grandininė branduolinė reakcija. Branduolinės grandininės reakcijos įgyvendinimo sąlygos. Branduolinės reakcijos – žinių prekybos centras
branduolinė reakcija – tai atomų branduolių transformacija sąveikaujant su elementariosiomis dalelėmis(įskaitant su γ kvantais) arba tarpusavyje. Labiausiai paplitęs branduolinės reakcijos tipas yra reakcija, simboliškai parašyta taip:
kur X ir Y– pradiniai ir galutiniai branduoliai, a ir b- bombardavimas ir išmetimas (arba išspinduliuotas) branduolinės reakcijos dalelėje.
Branduolinėje fizikoje sąveikos efektyvumą apibūdina efektyvus skerspjūvis σ. Kiekvienas dalelės ir branduolio sąveikos tipas yra susijęs su efektyviu jos skerspjūviu: efektyvus sklaidos skerspjūvis ;efektyvus absorbcijos skerspjūvis .
Efektyvus branduolinės reakcijos skerspjūvis σ randamas pagal formulę:
 ,
|
(9.5.1) |
kur N yra dalelių, krintančių per laiko vienetą ploto vienete, skaičius skerspjūvis medžiaga, kurios tūrio vienete n branduoliai; d N yra šių dalelių, reaguojančių d storio sluoksnyje, skaičius x. Efektyvusis skerspjūvis σ turi ploto matmenį ir apibūdina tikimybę, kad įvyks reakcija, kai dalelių pluoštas kris ant medžiagos.
Branduolinių procesų efektyvaus skerspjūvio matavimo vienetas yra tvartas (1 tvartas \u003d 10 -28 m 2).
Bet kurioje branduolinėje reakcijoje atlikta elektros krūvių tvermės dėsniai ir masės skaičiai : mokesčių suma(ir masės skaičių suma) branduoliai ir dalelės, reaguoti yra lygi krūvių sumai(ir masės skaičių suma) galutiniai produktai(branduoliai ir dalelės) reakcijos. Atlikta taip pat energijos tvermės dėsniai , pagreitį ir kampinis pagreitis .
Skirtingai nuo radioaktyvaus skilimo, kuris visada vyksta išleidžiant energiją, branduolinės reakcijos gali būti bet kurios egzoterminis (su energijos išleidimu), ir endoterminė (su energijos absorbcija).
Svarbiausias vaidmuo paaiškinant daugelio mechanizmą branduolinės reakcijos suvaidino N. Bohro (1936) prielaidą, kad branduolinės reakcijos vyksta dviem etapais pagal šią schemą:
| . | (9.5.2) |
Pirmas lygmuo yra branduolio gaudymas X dalelės a, artėjant prie jo branduolinių jėgų veikimo atstumu (apytiksliai) ir susiformuojant tarpiniam branduoliui Su, vadinamas sudėtiniu (arba sudėtiniu branduoliu). Įskridusios į branduolį dalelės energija greitai pasiskirsto tarp junginio branduolio nukleonų, dėl to ji būna sužadintos. Susidūrus sudėtinio branduolio nukleonams, vienas iš nukleonų (arba jų derinys, pavyzdžiui, deuteronas) arba α - dalelė gali įgyti pakankamai energijos, kad ištrūktų iš branduolio. Kaip rezultatas ateina antrasis branduolinės reakcijos etapas - junginio branduolio skilimas į branduolį Y ir dalelė b.
Į branduolinę fiziką įvedamas būdingas branduolinis laikas – laikas,būtinas dalelių atstumui, kurio dydis lygus branduolio skersmeniui, praeiti(). Taigi dalelei, kurios energija yra 1 MeV (tai atitinka jos greitį 10 7 m/s), būdingas branduolio laikas yra . yra (10 6 – 10 10)τ. Tai reiškia, kad per sudėtinio branduolio gyvavimo laiką gali įvykti daug nukleonų susidūrimų tarpusavyje, t.y. energijos perskirstymas tarp nukleonų tikrai įmanomas. Vadinasi, jungtinis branduolys gyvena taip ilgai, kad visiškai „pamiršta“, kaip susidarė. Todėl junginio branduolio (jo išskiriamų dalelių) skilimo pobūdis b) - antrasis branduolinės reakcijos etapas - nepriklauso nuo junginio branduolio susidarymo būdo, pirmasis etapas.
Jei skleidžiama dalelė yra identiška užfiksuotajai (), tai schemoje (4.5.2) aprašomas dalelės sklaida: elastinga - ties ; neelastingas - ties . Jei skleidžiama dalelė nėra identiška pagautai (), tada mes turime panašumą į branduolinę reakciją tiesiogine to žodžio prasme.
Vyksta tam tikros reakcijos nesusidarius junginio branduoliui, jie vadinami tiesioginė branduolinė sąveika(pavyzdžiui, greitųjų nukleonų ir deuteronų sukeltos reakcijos).
Branduolinės reakcijos klasifikuojamos pagal šiuos kriterijus:
pagal juose dalyvaujančių dalelių pobūdį - reakcijos veikiant neutronams; reakcijos, kurias veikia įkrautos dalelės (pavyzdžiui, protonai, deuteronai, α-dalelės); reakcijos veikiant γ-kvantams;
· pagal jas sukeliančių dalelių energiją – reakcijos esant mažoms energijoms (elektronvoltų eilės), vykstančios daugiausia dalyvaujant neutronams; vidutinės energijos (iki kelių MeV) reakcijos, vykstančios dalyvaujant γ-kvantams ir įkrautoms dalelėms (protonams, α-dalelėms); reakcijos, vykstančios esant didelei energijai (šimtai ir tūkstančiai MeV), dėl kurių atsiranda elementariųjų dalelių, kurių nėra laisvoje būsenoje ir kurios turi didelę reikšmę juos studijuoti;
pagal juose dalyvaujančių branduolių tipą - reakcijos į lengvuosius branduolius (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);
Pagal vykstančių branduolinių transformacijų pobūdį – reakcijos su neutronų emisija; reakcijos su įkrautų dalelių emisija; fiksavimo reakcijos (šiose reakcijose junginio branduolys neišskiria jokių dalelių, o perėjimas į pagrindinę būseną, vieno ar kelių γ kvantų emisija).
Norėdami peržiūrėti demonstracines versijas, spustelėkite atitinkamą hipersaitą:
Neutrono ir jo savybių atradimas
Branduolinės reakcijos, veikiamos neutronų, užima ypatingą vietą branduolinėje fizikoje. Dėl to, kad neutronas neturi elektros krūvio, jis laisvai prasiskverbia į bet kurį atomo branduolį ir sukelia branduolines reakcijas. Pirmiausia apsvarstykite neutrono savybes.
Neutronas buvo aptiktas po Rutherfordo prognozės 1920 m.
Bethe ir Becker (1930) eksperimentuose berilio branduoliai buvo apšvitinti α-dalelėmis ir užregistruota neutrali spinduliuotė, kurios pobūdis nenustatytas.
α + Be → neutrali spinduliuotė (kas?, γ?).
Joliot-Curie (1932) eksperimentuose α-dalelės buvo nukreiptos į berilio taikinį, o paskui į parafiną, siekiant nustatyti neutralios spinduliuotės pobūdį. Po parafino taikinio buvo pastebėtas protonų išsiskyrimas. Patirties schema parodyta žemiau.
α + Be → parafinas → p
Užregistruoti atatrankos protonai, kurių Е р = 4,3 MeV. Iškilo klausimas: kokioms dalelėms jos susidarė?
Jei juos sukėlė γ-kvantai, tada γ-kvantų E γ energija turėjo būti ~ 50 MeV. Tokios energijos γ-kvantai negalėjo atsirasti iš šios reakcijos.
Chadwickas išanalizavo šiuos eksperimentus ir pasiūlė, kad dėl reakcijos išskrenda neutralios dalelės, kurių masė panaši į protono masę. Tada jis sukūrė eksperimentą debesų kameroje ir stebėjo azoto atatrankos branduolius. Jis palygino šiuos rezultatus su Joliot-Curie eksperimentų, kuriuose buvo registruojami atatrankos protonai iš parafino, rezultatais ir pagal energijos tvermės dėsnius nustatė šios neutralios dalelės masę.
ir pagreitį
m 1 v = m 1 v 1 + m p v p ; 
kur N yra azoto branduolys; v 1 – neutralios dalelės greitis po susidūrimo; m 1 yra neutralios dalelės masė. Paaiškėjo, kad jis artimas protono masei
Taip tapo aišku, kad Joliot-Curie eksperimentuose įvyko reakcija, kurios metu buvo išspinduliuojamos neutralios dalelės – neutronai:
α + 9 Be → 12 C+ n.
Kai jie atsitrenkė į parafiną, jie išmušė atatrankos protonus, kurių energija buvo Ер = 4,3 MeV.
Žemiau pateikiamos neutrono savybės, gautos atliekant daugybę eksperimentų:
masė − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a.u. valgyti.,
magnetinis momentas – μn = –1,91μi,
sukimas – J = ћ/2,
eksploatavimo laikas − τ n = (10,61 ±0,16) min,
R.m.s spindulys −
Branduolinės reakcijos ne tik suteikia naujos informacijos apie branduolinių pajėgų prigimtį ir savybes, bet ir praktiškai naudojamos šalies ūkyje bei kariniuose reikaluose. Tai visų pirma taikoma branduolinėms reakcijoms, vykstančioms veikiant neutronams esant žemai energijai.
11.4 Neutronų šaltiniai
Neutronų šaltiniai yra įvairios branduolinės reakcijos.
 Ryžiai. 88: Neutronų spektras. |
1. Naudojamas radžio mišinys su beriliu (kartais polonis su beriliu), kuriame vyksta reakcija
α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.
Neutrono T kinetinė energija pasiskirsto spektre
(88 pav.).
Skilus Ra, susidaro α dalelės, kurių energija yra 4,8 MeV ir 7,7 MeV. Jie reaguoja su 9 Be ir sukuria neutronų srautą. Neutronų energijos sklaida atsiranda dėl to, kad skirtingos energijos α dalelės sukuria skirtingos energijos neutronus. Anglies branduolys 12 C susidaro grunto ir sužadintos būsenose.
Neutronų išeiga yra ~ 10 7 neutronai 1 g Ra per sekundę. Tuo pačiu metu skleidžiami γ spinduliai.
2. Kiti neutronų šaltiniai yra fotobranduolinės reakcijos (γ,n), kurios gamina lėtus ir vienspalvius neutronus.
γ + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.
Naudojamas ThC" (208 Tl). Jis skleidžia γ-kvantus, kurių Е γ ~ 2,62 MeV ir Е n ~ E p; T n ~20 keV.
3. Be fotodezintegracija fotonais, kurių energija E γ = 1,78 MeV
γ + 9 Be → 8 Be + n, Q = -1,65 MeV; T n ~ 100 keV.
4. Neutronų emisija veikiant pagreitintiems deuteronams, kurių E d = 16 MeV reakcijoje
2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.
E n = 4 MeV, išėjimas 10 6 neutronai per sekundę.
5. Reakcija 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (ledas iš sunkaus vandens), i?n = 2,5 MeV.
6. Švitinimas tričio deuteronais
2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.
Kadangi ši reakcija yra egzoterminė, dujų išlydžio vamzdeliuose deuteronai pagreitėja iki energijos E d = 0,3 MeV. Susidaro monochromatiniai neutronai, kurių Е n ~ 14 MeV.
Šis neutronų šaltinis naudojamas geologijoje.
7. Atskyrimo reakcijose veikiant deuteronams, kurių E d ~ 200 MeV, n c
E n ~ 100 MeV.
11.5 Branduoliniai reaktoriai, branduolinė grandininė reakcija
Galingiausias neutronų šaltinis yra branduoliniai reaktoriai – įrenginiai, kuriuose palaikoma kontroliuojama dalijimosi grandininė reakcija.
Reaktoryje vyksta U branduolių dalijimasis ir susidaro neutronai, kurių Е n nuo 0 iki 13 MeV, šaltinio intensyvumas 10 19 neutronų/s cm2. Dalijimosi procesas vyksta veikiant neutronams, kurie laisvai prasiskverbia į branduolius, nes nėra Kulono potencialo barjero.
Branduolio dalijimosi metu susidaro radioaktyvūs fragmentai ir išsiskiria 2-3 n, kurie vėl reaguoja su U branduoliais; yra grandininis procesas (89 pav.).
n + 235 U → 236 U → 139 La + 95 Mo + 2n
Ryžiai. 89: 235U branduolio dalijimosi iliustracija.
235 U dalijimosi procesui apibūdinti naudojamas skysčio lašo modelis, kuriame veikia Weizsäcker formulė. Neutronui patekus į urano branduolį, atsiranda konkurencija tarp naujojo branduolio paviršiaus energijos ir Kulono atstūmimo energijos. Dėl to, veikiant Kulono jėgoms, branduolys yra padalintas į du lengvesnius branduolius.
Energija Q, išsiskirianti branduolio dalijimosi metu (A,Z)
(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,
apskaičiuojamas naudojant Weizsäcker formulę
Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2 1/3) a sim A 2/3 + (1 − 2 2/3) kietas Z 2 A -1 /3 ;
Q (MeV) \u003d -4,5A 2/3 + 0,26 Z 2 A -1/3, ε - specifinė surišimo energija: E St / A. Branduoliui 235 U Q = 180 MeV.
Kad branduolys suskiltų, į jį reikia įvesti energijos E > E a, kur E a 90: Branduolio potenciali energija kaip atstumo iki branduolio centro funkcija (vientisa kreivė), E 0 - pagrindinė būsena, E 0 + E a - sužadinimo būsena, E a - aktyvacijos energija
(90 pav.).
Branduolio gebėjimo dalytis matas yra protonų Kulono atstūmimo energijos ir paviršiaus įtempimo energijos santykis:
kur Z 2 /A yra dalijimosi parametras, kuo jis didesnis, tuo lengviau dalijamasi branduolys; Z 2 /A = 49 padalijimo parametro kritinė vertė.
Branduolio dalijimosi proceso iliustracija parodyta fig. 91.
Branduoliniame reaktoriuje branduolio dalijimosi procesas kartojasi daug kartų, nes susidaro daugybė dalijimosi kartų. Pirmuoju 235 U dalijimosi atveju vidutiniškai susidaro 2,4 neutrono. Vienos kartos gyvenimo trukmė ~ 10 s. Jei gimsta K kartos, tai po ~ 2·10 -6 s laiko susidaro ~ 2 K neutronai. Jei K = 80, neutronų skaičius bus 2 80 ~ 10 24 – tai lems 10 24 atomų (140 g urano) dalijimąsi. Šiuo atveju išsiskirianti energija, 3·10 13 W, yra lygi energijai, kuri susidaro deginant 1000 tonų naftos.
Ryžiai. 91: Branduolinio skilimo procesas, vykstantis branduoliniame reaktoriuje.
Dalijimosi reakcijose energija išsiskiria šilumos pavidalu. Šilumos pašalinimas iš reaktoriaus atliekamas aušinimo skysčiu, kuriam keliami specialūs reikalavimai. Jis turėtų turėti didelę šiluminę talpą, silpnai sugerti neutronus ir turėti mažą cheminį aktyvumą. Branduolinio reaktoriaus elementų konstrukcijos ypatybių nekalbėsime. Atkreipiame dėmesį tik į tai, kad šiluminiams neutronams patekus į 235 U branduolį, susidaro greitieji neutronai, o reakcija vyksta tik ant lėtų neutronų. Todėl greituosius neutronus būtina sulėtinti. Tai atsitinka moderatoriuje. Anglies arba sunkusis vanduo naudojamas kaip moderatorius. Skilimo proceso stabdymas įgyvendinamas naudojant kadmio branduolius, kurie fiksuoja susidariusius neutronus. Taigi, branduolinio reaktoriaus konstrukcija būtinai apima neutronų moderatorių (anglį) ir kadmio strypus, kurie sugeria pagamintus neutronus.
Reaktoriuose naudojamas gamtinis uranas 238U (99,3%) ir prisodrintas 235U (0,7%). 235 U yra padalintas veikiant šiluminiams neutronams. 238 U naudojamas greitųjų neutronų reaktoriuose.
Reaktoryje vykstantys procesai apibūdinami tokiomis tikimybėmis:
ν – susidariusių greitųjų neutronų skaičius;
ε – greitųjų neutronų dauginimo koeficientas;
P – tikimybė, kad neutronas pasieks šiluminę energiją;
ƒ – neutronų pagavimo tikimybė lėtėjimo metu;
σ t /σ tot yra dalijimosi reakcijos sužadinimo tikimybė.
Šių tikimybių sandauga suteikia terminių neutronų dauginimo koeficientą k branduoliniame reaktoriuje:
Grandininė reakcija vyksta, jei k > 1; į daugybos koeficientą įtraukti dydžiai turi šias reikšmes: ν = 2,47; ε = 1,02; P = 0,89; ƒ = 0,88; σt /σtot = 0,54.
Taigi begalinių matmenų reaktoriui k ∞ = 1,07. Realiomis sąlygomis eff< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
Greitųjų neutronų reaktoriuose (239 Pu ir 238 U) vyksta toks procesas:
Dėl šios reakcijos susidaro 239 Pu. Susidaręs plutonis reaguoja su neutronu: susidaro n + 239 Pu, ν = 2,41 neutrono.
239 Ri branduolių skaičius padvigubėja kas 7-10 metų.
Atominei energijai gaminti naudojama atominių branduolių dalijimosi reakcija. Branduoliniai reaktoriai veikia daugelyje atominių elektrinių.
11.6 Sintezės reakcijos, lengvųjų branduolių sintezė
Kitas atominės energijos šaltinis gali būti lengvųjų atomų branduolių sintezė. Lengvieji branduoliai yra mažiau surišti, o susiliejus į sunkųjį branduolį išsiskiria daugiau energijos. Be to, termobranduolinės reakcijos yra švaresnės, nes trūksta lydinčių radioaktyviosios emisijos nei dalijimosi grandininės reakcijos.
Termobranduolinei energijai gauti gali būti naudojamos šios sintezės reakcijos:
d + d = 3 He + n + 4 MeV,
d + d = t + p + 3,25 MeV,
d + t = 4 He + n + 17.b MeV,
3 He + d = 4 He + p + 18,3 MeV,
6 Li + 2di = 2 4 He + 22,4 MeV. J
Į reakciją patenkančių branduolių energijos turi pakakti Kulono potencialo barjerui įveikti. Ant pav. 92 parodyta kai kurių reakcijų skerspjūvių priklausomybė nuo energijos. Kaip matyti iš paveikslo, tinkamiausia yra deuterio d ir tričio t branduolių sintezė. Šioje sintezės reakcijoje Kulono potencialo barjeras yra mažas, o sąveikos skerspjūvis yra didelis, kai susiliejančių branduolių energija yra maža. Kad reakcija vyktų, būtina turėti pakankamą šių branduolių koncentraciją tūrio vienete ir pakankamą įkaitintos plazmos temperatūrą.
Susiliejančių įvykių R ab skaičius per laiko vienetą tūrio vienete nustatomas pagal ryšį
R ab = n a n b w ab (T).
w ab (T) = σ ab v ab ,
kur n a , n b yra branduolių skaičius a, b; σ ab – efektyvusis reakcijos skerspjūvis, v ab – santykinis dalelių greitis plazmoje, Т – temperatūra. Dėl reakcijos išsiskiria energija
W = Rab Qab τ,
kur R ab yra susiliejančių įvykių skaičius, Q ab yra energija, išsiskirianti per 1 įvykį, τ yra laikas.
Tegul n a \u003d n b \u003d 10 15 branduolių / cm 3, T \u003d 100 keV. Tada W ~ 10 3 W/cm 3 s.
Savaime išsilaikančios termobranduolinės reakcijos metu turi būti išleista daugiau energijos, nei sunaudojama plazmai kaitinti ir sutvirtinti. Kaina n a = n b = 2n dalelių pašildymo iki temperatūros T: 3n·kT: k - Boltzmanno konstanta. Taigi turi būti įvykdyta ši sąlyga:
n 2 w ab Q ab τ > 3nkT
(išleidžiama energija > šildymo energija).
Lawsonas suformulavo tokią d + t sintezės reakcijos sąlygą:
nτ > 10 14 s cm -3 ,
kur nτ yra sulaikymo parametras. Ant pav. 93 parodyta šio parametro priklausomybė nuo temperatūros. Reakcija vyksta, jei nτ > ƒ(T). Temperatūra T ~ 2·10 8 K atitinka 10 keV energiją. Mažiausia sulaikymo parametro reikšmė nτ = 10 14 s/cm 3 reakcijai d + t pasiekiama esant 2 10 8 K temperatūrai.
Ryžiai. 93: Laikymo parametrų priklausomybė nuo temperatūros. Tamsinta sritis ƒ(Т) yra kontroliuojamos termobranduolinės sintezės zona reakcijai d + t. - Parametrų reikšmės, pasiektos įvairiose patalpose iki 1980 m.
Dėl kitų reakcijų:
Plazmos uždarymas, turintis reikiamas sąlygas reakcijai vykti, įgyvendinamas Tokamako tipo įrenginiuose naudojant magnetinis laukas. Tokie įrenginiai veikia Rusijoje ir daugelyje kitų šalių. Kaip matyti iš fig. 93, kontroliuojamos termobranduolinės sintezės režimas dar nepasiektas.
Termobranduolinei sintezei būtinas sąlygas bandoma gauti naudojant lazerinius įrenginius. Šiuo atveju lazerio spinduliuote iš visų pusių suspaudžiamas nedidelis tūris, kuriame yra deuterio ir tričio branduolių. Šiuo atveju deuterio ir tričio branduoliai pašildomi iki norimos temperatūros. Lazerio sintezei reikia įvesti 100 koeficientą, nes lazeriui pumpuoti sunaudojama daug nenaudingos energijos.
Bandymai vykdyti kontroliuojamą termobranduolinę sintezę laboratorinėmis sąlygomis susiduria su daugybe sunkumų.
- 1. Iki šiol nebuvo įmanoma gauti stabilaus aukštos temperatūros plazmos režimo.
- 2. Energijos nuostoliai plazmoje dideli net ir dėl mažų atomų su dideliu Z priemaišų koncentracijos.
- 3. „Pirmosios sienos problema“ Tokamake, kuri riboja reaktoriaus plazmą, neišspręsta (neutronų srautas ją sunaikina).
- 4. Gamtoje nėra radioaktyvaus tričio t, kurio pusinės eliminacijos laikas T 1/2 = 12,5 metų, todėl reakcijoje iškyla tričio dauginimosi problema.
n + 7 Li = α + t + n.
Iki šiol nebuvo įmanoma įveikti šių sunkumų ir pasiekti kontroliuojamos termobranduolinės sintezės reakcijos.
Natūraliomis sąlygomis termobranduolinės sintezės reakcijos vyksta Saulėje ir žvaigždėse.
Literatūra
- 1. Širokovas Yu.M., Judinas N.P. Branduolinė fizika. -M.: Nauka, 1972 m.
- 2. Kapitonovas I.M. Įvadas į branduolinę ir dalelių fiziką. -M.: UPPS, 2002 m.
O galimybė panaudoti branduolinę energiją tiek konstruktyviems (atominė energija), tiek destruktyviems (atominės bombos) tikslams tapo, ko gero, vienu reikšmingiausių praėjusio XX amžiaus išradimų. Na, visos tos didžiulės jėgos, slypinčios mažyčio atomo žarnyne, esmė yra branduolinės reakcijos.
Kas yra branduolinės reakcijos
Fizikoje branduolinės reakcijos suprantamos kaip atomo branduolio sąveikos su kitu į jį panašiu branduoliu arba su įvairiomis elementariomis dalelėmis procesas, dėl kurio keičiasi branduolio sudėtis ir struktūra.
Šiek tiek branduolinių reakcijų istorijos
Pirmąją branduolinę reakciją istorijoje padarė didysis mokslininkas Rutherfordas dar 1919 m., atlikdamas eksperimentus, siekdamas aptikti protonus branduolių skilimo produktuose. Mokslininkas azoto atomus bombardavo alfa dalelėmis, o dalelėms susidūrus įvyko branduolinė reakcija.
Ir štai kaip atrodė šios branduolinės reakcijos lygtis. Rutherfordui priskiriamas branduolinių reakcijų atradimas.
Po to sekė daugybė mokslininkų eksperimentų dėl įgyvendinimo įvairių tipų branduolinės reakcijos, pavyzdžiui, branduolinė reakcija, kurią sukėlė atomų branduolių bombardavimas neutronais, kurią atliko iškilus italų fizikas E. Fermi, buvo labai įdomi ir reikšminga mokslui. Visų pirma, Fermi atrado, kad branduolines transformacijas gali sukelti ne tik greiti neutronai, bet ir lėti, judantys šiluminiais greičiais. Beje, branduolinės reakcijos, kurias sukelia temperatūros poveikis, vadinamos termobranduolinėmis. Kalbant apie branduolines reakcijas, vykstančias neutronų įtakoje, jos labai greitai išsivystė moksle, o kas kita, skaitykite apie tai toliau.
Tipinė branduolinės reakcijos formulė.
Kokios branduolinės reakcijos egzistuoja fizikoje
Apskritai šiuo metu žinomas branduolines reakcijas galima suskirstyti į:
- branduolio dalijimasis
- termobranduolinės reakcijos
Žemiau mes išsamiai rašome apie kiekvieną iš jų.
atomų branduolių dalijimasis
Atominių branduolių dalijimosi reakcija apima tikrojo atomo branduolio suskaidymą į dvi dalis. 1939 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas ir F. Strassmannas atrado atomų dalijimąsi, tęsdami savo pirmtakų mokslinius tyrimus ir išsiaiškino, kad bombarduojant uraną neutronais, atsiranda Mendelejevo periodinės lentelės vidurinės dalies elementai, būtent radioaktyvieji izotopai. baris, kriptonas ir kai kurie kiti elementai. Deja, šios žinios iš pradžių buvo panaudotos siaubingiems, destruktyviems tikslams, nes antroji Pasaulinis karas ir vokiečių, kita vertus, amerikiečių ir sovietų mokslininkai lenktyniavo kurdami branduolinius ginklus (remiantis urano branduoline reakcija), o tai baigėsi liūdnai pagarsėjusiais „branduoliniais grybais“ virš Japonijos miestų Hirosimos ir Nagasakio.
Tačiau grįžtant prie fizikos, urano branduolinė reakcija skylant jo branduoliui turi tą pačią milžinišką energiją, kurią mokslas sugebėjo panaudoti. Kaip vyksta tokia branduolinė reakcija? Kaip rašėme aukščiau, tai įvyksta dėl urano atomo branduolio bombardavimo neutronais, nuo kurių branduolys skyla ir atsiranda didžiulė kinetinė energija, maždaug 200 MeV. Tačiau įdomiausia yra tai, kad urano branduolio branduolio dalijimosi reakcijos iš susidūrimo su neutronu produktas yra keletas laisvų naujų neutronų, kurie savo ruožtu susiduria su naujais branduoliais, juos suskaido ir pan. Dėl to dar daugiau neutronų ir dar daugiau urano branduolių skyla susidūrus su jais – įvyksta tikra branduolinė grandininė reakcija.
Taip atrodo diagramoje.
Šiuo atveju neutronų dauginimo koeficientas turi būti didesnis už vienetą, tai yra būtina sąlyga tokio pobūdžio branduolinei reakcijai. Kitaip tariant, kiekvienoje paskesnėje neutronų kartoje, susidariusioje po branduolių skilimo, jų turėtų būti daugiau nei ankstesnėje.
Verta paminėti, kad pagal panašų principą branduolinės reakcijos bombardavimo metu gali vykti ir dalijantis kai kurių kitų elementų atomų branduoliams, su tokiais niuansais, kad branduolius gali bombarduoti įvairios elementarios dalelės, tokių branduolinių reakcijų produktai skirsis norint jas išsamiau apibūdinti. , mums reikia visos mokslinės monografijos
termobranduolinės reakcijos
Termobranduolinės reakcijos yra pagrįstos sintezės reakcijomis, tai yra, iš tikrųjų vyksta atvirkštinis dalijimosi procesas, atomų branduoliai neskyla į dalis, o susilieja vienas su kitu. Tai taip pat pabrėžia didelis skaičius energijos.
Termobranduolinės reakcijos, kaip rodo pavadinimas (termo – temperatūra), gali vykti tik esant labai žemai aukšta temperatūra Oi. Juk tam, kad susijungtų du atomų branduoliai, jie turi priartėti vienas prie kito labai arti, kartu įveikdami savo teigiamų krūvių elektrinį atstūmimą, tai įmanoma, kai yra didelė kinetinė energija, kuri savo ruožtu galima esant aukštai temperatūrai. Pažymėtina, kad termobranduolinės vandenilio reakcijos nevyksta, tačiau ne tik ant jo, bet ir ant kitų žvaigždžių, netgi galima sakyti, kad būtent tai ir slypi bet kurios žvaigždės prigimties pagrindu.
Branduolinės reakcijos vaizdo įrašas
Ir galiausiai mokomasis vaizdo įrašas mūsų straipsnio tema – branduolinės reakcijos.
Jis buvo fiksuotas atsiradus antrinėms jonizuojančioms dalelėms, kurių diapazonas dujose yra didesnis nei α-dalelių diapazonas ir identifikuojamas kaip protonai. Vėliau šio proceso nuotraukos buvo gautos naudojant Wilson fotoaparatą.
Pagal sąveikos mechanizmą branduolinės reakcijos skirstomos į du tipus:
- reakcijos su junginio branduolio susidarymu, tai dviejų pakopų procesas, vykstantis esant ne itin didelei susidūrusių dalelių kinetinės energijos (iki maždaug 10 MeV).
- tiesioginės branduolinės reakcijos branduolinis laikas reikalingos dalelei pereiti per branduolį. Šis mechanizmas daugiausia pasireiškia esant didelei bombarduojančių dalelių energijai.
Jei po susidūrimo išlieka originalūs branduoliai o naujos dalelės negimsta, tada reakcija yra elastinga sklaida branduolinių jėgų lauke, lydima tik dalelės ir tikslinio branduolio kinetinės energijos ir impulso persiskirstymo ir vadinama galimas išsibarstymas .
Enciklopedinis „YouTube“.
-
1 / 5
Reakcijos mechanizmo su junginio branduolio susidarymu teoriją Niels Bohr sukūrė 1936 m., kartu su branduolio lašelio modelio teorija, kuri yra šiuolaikinių idėjų apie didelę branduolinių reakcijų dalį pagrindas.
Pagal šią teoriją branduolinė reakcija vyksta dviem etapais. Pradžioje pradinės dalelės sudaro tarpinį (sudėtinį) branduolį branduolinis laikas, tai yra laikas, reikalingas dalelei pereiti per branduolį, apytiksliai lygus 10 -23 - 10 -21 . Šiuo atveju jungtinis branduolys visada susidaro sužadintoje būsenoje, nes jame yra perteklinė energija, kurią dalelė atneša į branduolį nukleono surišimo energijos pavidalu junginio branduolyje ir dalį jo kinetinės energijos, kuri yra lygi tikslinio branduolio kinetinės energijos sumai su masės skaičiumi A (\displaystyle A) ir dalelės inercijos centro sistemoje.
Sužadinimo energija
Sužadinimo energija E ∗ (\displaystyle E^(*)) junginio branduolio, susidarančio absorbuojant laisvąjį nukleoną, yra lygus jungimosi energijos sumai E c (\displaystyle E_(c)) nukleonas ir jo kinetinės energijos dalis E′ (\displaystyle E^(")):
E ∗ = E c + E ′ (\displaystyle E^(*)=E_(c)+E")
Dažniausiai dėl didelio branduolio ir nukleono masių skirtumo E' (\displaystyle E") maždaug lygi branduolį bombarduojančio nukleono kinetinei energijai.
Vidutiniškai surišimo energija yra 8 MeV, kintanti priklausomai nuo susidariusio junginio branduolio savybių, tačiau tam tikriems tiksliniams branduoliams ir nukleonams ši vertė yra pastovi. Bombarduojančios dalelės kinetinė energija gali būti bet kokia, pavyzdžiui, kai branduolinės reakcijos sužadinamos neutronais, kurių potencialas neturi Kulono barjero, reikšmė gali būti artima nuliui. Taigi surišimo energija yra mažiausia junginio branduolio sužadinimo energija.
Reakcijos kanalai
Perėjimas į nesužadintą būseną gali būti atliekamas įvairiais būdais, vadinamais reakcijos kanalai. Nulemia krintančių dalelių ir branduolių tipai ir kvantinė būsena prieš prasidedant reakcijai įvesties kanalas reakcijos. Pasibaigus reakcijai, susidarė rinkinys reakcijos produktai o jų kvantinės būsenos lemia išvesties kanalas reakcijos. Reakcijai visiškai būdingi įvesties ir išvesties kanalai.
Reakcijos kanalai nepriklauso nuo junginio branduolio susidarymo būdo, o tai galima paaiškinti ilgu junginio branduolio gyvavimo laiku, atrodo, kad „pamiršta“ kaip jis susidarė, todėl junginio branduolio susidarymas ir irimas. gali būti laikomi nepriklausomais įvykiais. Pavyzdžiui, 13 27 Al (\displaystyle ()_(13)^(27)(\textrm (Al))) gali susidaryti kaip jungtinis branduolys sužadintoje būsenoje vienoje iš šių reakcijų:
11 23 Na + 2 4 He → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(11)^(23)(\textrm (Na))+()_(2)^(4)(\textrm (He)) \arrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))
12 26 Mg + 1 1 H → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(12)^(26)(\textrm (Mg))+()_(1)^(1)(\textrm (H)) \arrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))
13 26 Al + 0 1 n → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(13)^(26)(\textrm (Al))+()_(0)^(1)(\textrm (n)) \arrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))
13 27 Al + γ → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(13)^(27)(\textrm (Al))+\gamma \rightarrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al) *)))
Vėliau, esant tokiai pačiai sužadinimo energijai, šis junginio branduolys gali suirti bet kurios iš šių reakcijų atvirkštiniu būdu, su tam tikra tikimybe, nepriklausomai nuo šio branduolio susidarymo istorijos. Sudėtinio branduolio susidarymo tikimybė priklauso nuo energijos ir nuo tikslinio branduolio tipo.
Tiesioginės branduolinės reakcijos
Branduolinių reakcijų eiga galima ir tiesioginės sąveikos mechanizmu, iš esmės toks mechanizmas pasireiškia esant labai didelėms bombarduojančių dalelių energijoms, kai branduolio nukleonus galima laikyti laisvaisiais. Tiesioginės reakcijos nuo junginio branduolio mechanizmo skiriasi, visų pirma, produkto dalelių impulsų vektorių pasiskirstymu bombarduojančių dalelių impulso atžvilgiu. Skirtingai nuo junginio branduolio mechanizmo sferinės simetrijos, tiesioginei sąveikai būdinga vyraujanti reakcijos produktų skrydžio į priekį kryptis, palyginti su krintančių dalelių judėjimo kryptimi. Produkto dalelių energijos pasiskirstymas šiais atvejais taip pat skiriasi. Tiesioginei sąveikai būdingas didelės energijos dalelių perteklius. Susidūrimo su sudėtingų dalelių branduoliais (ty kitais branduoliais) galimi nukleonų perkėlimo iš branduolio į branduolį procesai arba nukleonų mainai. Tokios reakcijos vyksta nesusidarant junginio branduoliui ir joms būdingi visi tiesioginės sąveikos ypatumai.
Branduolinės reakcijos skerspjūvis
Reakcijos tikimybę lemia vadinamasis reakcijos branduolinis skerspjūvis. Laboratorijos atskaitos sistemoje (kur tikslinis branduolys yra ramybės būsenoje) sąveikos tikimybė per laiko vienetą yra lygi skerspjūvio (išreikšto ploto vienetais) ir krintančių dalelių srauto (išreikšto skaičiumi) sandaugai. dalelės, kertančios ploto vienetą per laiko vienetą). Jeigu vienam įvesties kanalui galima įgyvendinti kelis išėjimo kanalus, tai reakcijos išėjimo kanalų tikimybių santykis lygus jų skerspjūvių santykiui. Branduolinėje fizikoje reakcijos skerspjūviai paprastai išreiškiami specialiais vienetais - tvartais, lygiais 10–24 cm².
Reakcijos derlius
Reakcijos įvykių skaičius, susijęs su taikinį bombarduojančių dalelių skaičiumi ν / Φ (\displaystyle \nu /\Phi ), vadinamas branduolinė reakcija. Ši vertė nustatoma eksperimentiškai atliekant kiekybinius matavimus. Kadangi išeiga yra tiesiogiai susijusi su reakcijos skerspjūviu, išeigos matavimas iš esmės yra reakcijos skerspjūvio matavimas.
Branduolinių reakcijų išsaugojimo dėsniai
Branduolinėse reakcijose įvykdomi visi klasikinės fizikos išsaugojimo dėsniai. Šie įstatymai apriboja branduolinės reakcijos galimybę. Net ir energetiškai palankus procesas visada pasirodo neįmanomas, jei jį lydi koks nors gamtosaugos įstatymo pažeidimas. Be to, egzistuoja mikropasauliui būdingi gamtosaugos įstatymai; kai kurie iš jų, kiek žinoma, visada įvykdomi (bariono skaičiaus, leptono skaičiaus išsaugojimo dėsnis); kiti išsaugojimo dėsniai (izospinas, paritetas, keistumas) tik slopina tam tikras reakcijas, nes kai kurioms esminėms sąveikoms jie nepatenkinami. Apsaugos įstatymų pasekmės yra vadinamosios atrankos taisyklės, kurios nurodo tam tikrų reakcijų galimybę arba draudimą.
Energijos tvermės dėsnis
Jeigu E 1 (\displaystyle \mathrm (E) _(1)), E 2 (\displaystyle \mathrm (E) _(2)), E 3 (\displaystyle \mathrm (E) _(3)), E 4 (\displaystyle \mathrm (E) _(4)) yra bendra dviejų dalelių energija prieš ir po reakcijos, tada, remiantis energijos tvermės dėsniu:
E 1 + E 2 \u003d E 3 + E 4. (\displaystyle \mathrm (E) _(1)+\mathrm (E) _(2)=\mathrm (E) _(3)+\mathrm (E) _(4).)Kai susidaro daugiau nei dvi dalelės, terminų skaičius dešinėje šios išraiškos pusėje turėtų būti atitinkamai didesnis. Bendra dalelės energija lygi jos ramybės energijai Mc 2 ir kinetinė energija E, Štai kodėl:
M 1 c 2 + M 2 c 2 + E 1 + E 2 = M 3 c 2 + M 4 c 2 + E 3 + E 4 . (\displaystyle M_(1)c^(2)+M_(2)c^(2)+E_(1)+E_(2)=M_(3)c^(2)+M_(4)c^( 2)+E_(3)+E_(4).)Skirtumas tarp dalelių bendrosios kinetinės energijos reakcijos „išvesties“ ir „įvesties“ metu K = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) paskambino reakcijos energija(arba reakcijos energijos išeiga). Jis tenkina sąlygą:
M 1 + M 2 \u003d M 3 + M 4 + Q / c 2. (\displaystyle M_(1)+M_(2)=M_(3)+M_(4)+Q/c^(2).)Daugiklis 1/ c 2 dažniausiai praleidžiamas skaičiuojant energijos balansą, dalelių mases išreiškiant energijos vienetais (o kartais ir energiją masės vienetais).
Jeigu K> 0, tada reakciją lydi laisvosios energijos išsiskyrimas ir vadinama egzoenergetinis , jei K < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergetinis .
Tai nesunku pastebėti K> 0, kai dalelių-produktų masių suma mažesnė už pradinių dalelių masių sumą, tai yra, laisvosios energijos išsiskyrimas galimas tik sumažinus reaguojančių dalelių mases. Ir atvirkščiai, jei antrinių dalelių masių suma viršija pradinių dalelių masių sumą, tada tokia reakcija įmanoma tik tuo atveju, jei tam tikras kiekis kinetinės energijos išleidžiamas likusiai energijai padidinti, t. naujų dalelių masės. Vadinama mažiausia krintančios dalelės kinetinės energijos vertė, kuriai esant galima endoenergetinė reakcija slenkstinė reakcijos energija. Endoenergetinės reakcijos taip pat vadinamos slenkstinės reakcijos, nes jie neatsiranda, kai dalelių energija yra mažesnė už slenkstį.
Teisės išsaugojimo pagreitis
Bendras dalelių impulsas prieš reakciją yra lygus bendram dalelių-reakcijos produktų impulsui. Jeigu p → 1 (\displaystyle (\vec(p))_(1)), p → 2 (\displaystyle (\vec(p))_(2)), p → 3 (\displaystyle (\vec(p))_(3)), p → 4 (\displaystyle (\vec(p))_(4)) yra dviejų dalelių impulso vektoriai prieš ir po reakcijos, tada
p → 1 + p → 2 = p → 3 + p → 4. (\displaystyle (\vec (p))_(1)+(\vec (p))_(2)=(\vec (p))_(3)+(\vec (p))_(4) .)Kiekvienas vektorius gali būti išmatuotas nepriklausomai eksperimentiniu būdu, pavyzdžiui, naudojant magnetinį spektrometrą. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad impulso tvermės dėsnis galioja tiek branduolinėse reakcijose, tiek mikrodalelių sklaidos procesuose.
Įstatymo išsaugojimo ir sukimo momento impulsas
branduolių sintezės reakcija
branduolių sintezės reakcija- dviejų atomų branduolių susiliejimo procesas, susidarant naujam, sunkesniam branduoliui.
Be naujojo branduolio, sintezės reakcijos metu, kaip taisyklė, susidaro ir įvairios elementarios dalelės ir (ar) elektromagnetinės spinduliuotės kvantai.
Neturint išorinės energijos, branduolių susiliejimas neįmanomas, nes teigiamai įkrauti branduoliai patiria elektrostatinės atstūmimo jėgas – tai yra vadinamasis „Kulono barjeras“. Norint susintetinti branduolius, reikia juos priartinti iki maždaug 10–15 m atstumo, kuriame stiprios sąveikos veikimas viršys elektrostatinės atstūmimo jėgas. Tai įmanoma, jei artėjančių branduolių kinetinė energija viršija Kulono barjerą.
Tokios sąlygos gali atsirasti dviem atvejais:
- Jei žvaigždės arba branduolių sintezės reaktoriuje medžiaga kaitinama iki itin aukštos temperatūros. Pagal kinetinę teoriją, kinetinė energija judančias medžiagos mikrodaleles (atomus, molekules ar jonus) galima pavaizduoti temperatūros pavidalu, todėl kaitinant medžiagą galima pasiekti branduolių sintezės reakciją. Šiuo atveju jie kalba apie termobranduolinę sintezę arba termobranduolinę reakciją.
termobranduolinė reakcija
termobranduolinė reakcija- dviejų atomų branduolių susiliejimas susidarant naujam, sunkesniam branduoliui, dėl jų šiluminio judėjimo kinetinės energijos.
Branduolio sintezės reakcijai pradiniai branduoliai turi turėti santykinai didelę kinetinę energiją, nes jie patiria elektrostatinį atstūmimą, nes yra teigiamai įkrauti tuo pačiu pavadinimu.
Visų pirma, tarp jų reikėtų pažymėti Žemėje labai paplitusią dviejų vandenilio izotopų (deuterio ir tričio) reakciją, dėl kurios susidaro helis ir išsiskiria neutronas. Reakciją galima parašyti taip:
1 2 H (D) + 1 3 H (T) → 2 4 He + 0 1 n (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))(D)+()_(1 )^(3)(\textrm (H))(T)\rodyklė dešinėn ()_(2)^(4)(\textrm (He))+()_(0)^(1)(\textrm (n) ))) + energija (17,6 MeV).
Išsiskyrusi energija (atsiranda dėl to, kad helis-4 turi labai stiprius branduolinius ryšius) paverčiama kinetine energija, dauguma iš kurių 14,1 MeV neutroną pasiima su savimi kaip lengvesnę dalelę. Susidaręs branduolys yra tvirtai surištas, todėl reakcija yra tokia stipri egzoenergetinė. Šiai reakcijai būdingas mažiausias Kulono barjeras ir didelis derlius, todėl ji ypač svarbi kontroliuojamai termobranduolinei sintezei.
fotobranduolinė reakcija
Kai gama kvantas yra absorbuojamas, branduolys gauna energijos perteklių, nekeičiant savo nukleono sudėties, o branduolys, turintis energijos perteklių, yra sudėtinis branduolys. Kaip ir kitų branduolinių reakcijų, gama kvanto absorbcija branduolyje yra įmanoma tik tada, kai yra pasiekti reikiami energijos ir sukimosi santykiai. Jei energija, perduodama į branduolį, viršija nukleono jungimosi energiją branduolyje, tada gauto junginio branduolio skilimas dažniausiai įvyksta, kai išsiskiria nukleonai, daugiausia neutronai. Šis skilimas sukelia branduolines reakcijas. (γ , n) (\displaystyle (\gamma ,n)) ir (γ , p) (\displaystyle (\gamma ,p)), kurie vadinami fotobranduolinis ir nukleonų emisijos reiškinys šiose reakcijose - branduolinis fotoelektrinis efektas, ...). Kai kuriose reakcijose, kuriose dalyvauja silpna sąveika, protonai gali virsti neutronais ir atvirkščiai, tačiau bendras jų skaičius nekinta.
Antras būdasžymėjimas, patogesnis branduolinei fizikai, turi formą A (a, bcd…) B, kur BET- tikslinė šerdis a- bombarduojanti dalelė (įskaitant branduolį), b, c, d,...- išskiriamos dalelės (įskaitant branduolius), AT- liekamasis branduolys. Lengvesni reakcijos produktai rašomi skliausteliuose, sunkesni – lauke. Taigi aukščiau pateiktą neutronų gaudymo reakciją galima parašyti taip:
48 113 Cd (n , γ) 48 114 Cd (\displaystyle ()_(48)^(113)(\textrm (Cd))(n,\gamma)()_(48)^(114)(\textrm (CD))). - vandenilio atomo branduolys, protonas.
„Cheminiu“ žymėjimu ši reakcija atrodo taip
7 14 N + α → p + 8 17 O (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))+\alpha \rightarrow p+()_(8)^(17)(\textrm (O))).
Panašūs straipsniai
