5.3.6 Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Видеоурок 1: Ядерные реакции. Энергетический выход ядерной реакции

Лекция: Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Ядерные реакции

Прошлая тема затрагивала процессы, позволяющие расщепить ядро на составные части. Сейчас мы поговорим с Вами, каким образом это может произойти.

Множество ученых производили опыты над радиоактивными элементами. Они стремились изменить период радиоактивного распада элементов под действием внешних сил, повышая температуру, помещая частицу в магнитное поле, а также многие другие эксперименты, включающие в себя различные физические процессы.

Мы уже с Вами сравнивали, насколько огромны ядерные силы, поэтому интенсивность известных нам физических процессов достаточно низкая для изменения структуры ядра. Представьте себе крепкий кирпичный дом, который обдувает легким ветерком - именно так можно сравнить силы простых физических процессов с ядерными силами.

Однако, все мы знаем, что повредить или полностью разрушить дом можно с помощью снаряда. В роли такого снаряда выступает альфа-частица, которая получена в результате распада урана Резерфордом в 1919 году. Как всем нам известно, именно альфа-частица стала помощником в открытии планетарной модели атома, а теперь и в процессе изменения ядер элементов. Но в таком случае может возникнуть вопрос, почему же разрушение ядра не наблюдалось в результате бомбардировки золотой фольги альфа-частицей. Все дело в том, что ядро золота достаточно тяжелое и содержит большое количество положительно заряженных частиц, которые, в свою очередь, способны создавать сильно электрическое поле вокруг ядра. А так как альфа-частица так же положительна, то она отталкивается от ядра золота в результате сильных кулоновских сил.

Итак, для изменения ядра урана была использована альфа-частица, обладающая 5 МэВ энергии. Чтобы эксперимент прошел удачно Резерфорд использовал легкое ядро с небольшим содержанием протонов - ядро азота. В результате этого была получена первая ядерная реакция:

В левой части уравнения находятся элементы, которые вступают в ядерную реакцию, а в правой части написаны продукты реакции. В результате бомбардировки ядра азота гелием получается изотоп кислорода и ядро водорода. Получить подобную реакцию можно только в результате использования частицы, которая летит на огромной скорости. Это возможно благодаря специальному устройству, которое называется ускорителем частиц.

Изначально в ядерной физике использовали ядерные пушки, однако ускорители частиц имеют два огромных преимущества перед ними:

1. В ускорителе можно разгонять абсолютно любые частицы.

2. Благодаря ускорителю частицам можно придать огромную энергию. Например, БАК может разогнать протон до энергии в несколько ТэВ.

Второй знаменитой ядерной реакцией стала бомбардировка лития в ускорителе частиц, в результате чего было получено две альфа-частицы. В ядерной реакции указан элемент водород, но в качестве него предполагалось использовать протон, ведь легкое ядро водорода и так состоит из одного протона.

Ученые заметили, что в результате реакций имеется возможность из одного элемента получать иные ядра элементов таблицы Менделеева. Боле того, в результате новых ядерных реакций были получены новые частицы. Например, в результате бомбардировки бериллия альфа-частицей, был получен кислород и нейтрон.

Получение новой частицы привело к открытию новых реакций, в которых в ускоритель запускали нейтрон.

Энергетический выход

Как мы уже знаем, в массы частиц в отдельности отличаются от масс целых элементов или продуктов реакции. Это означает, что в результате этого меняется и энергия.

Давайте разберемся по порядку. Любая движущаяся частица обладает энергией покоя и кинетической энергией.

Итак, представим, что в ускорителе произошло взаимодействие двух частиц. В результате чего образовались два новых элемента.

Как мы знаем, все процессы в природе происходят по закону сохранения энергии. Ядерные реакции не исключения. Это значит, что справедливо следующее равенство:

Используя энергию покоя и кинетическую энергию, получим:

Для того, чтоб реакции протекали, иногда требуется использование дополнительной энергии, а, порой, в результате реакции выделяется огромное количество энергии. Как раз именно выделение энергии в результате ядерных реакций лежит в основе атомных реакторов.

Чтобы определить энергетический выход, следует воспользоваться формулой разности энергий продуктов реакции и частиц, которые использовались изначально:

Если полученная разность будет принимать положительное значение, это означает, что в результате реакции происходит выделение энергии. Такие реакции называются экзотермическими.  Если же энергетический выход получился отрицательным, то для протекания реакции необходимо задействовать дополнительную энергию. Такие реакции называются эндотермическими.

Алгоритм решения задач на энергетический выход:

1. Для каждого элемента рассматриваемого уравнения находим значение масс ядер из таблицы. Обратите внимание, что во всех таблицах значение массы написано для атома в целом. Поэтому, чтобы получить массу ядра, из массы атома необходимо вычесть массу электронов. После этого полученные значения следует выразить в а.е.м.

2. Вторым этапом следует определить разность масс продуктов реакции и элементов, которые были взяты для неё.

3. Чтобы получить энергетический выход, следует полученную разность умножить на 931,5.

Деление ядер

Необыкновенно захватывающим открытием Гана и Штрассмана было получение дополнительных элементов в результате бомбардировки урана медленным нейтроном. Данное явление было названо делением ядер. То есть благодаря бомбардировке, ядро делится на несколько ядер других элементов, например, рубидия, стронция или других.

Самыми распространенными ядерными реакция в результате деления ядер урана считаются:

Это экзотермические реакции с огромным энергетическим выходом - до 200 МэВ.

Процесс деления ядер достаточно простой. В ядре урана содержится огромное количество протонов. А, как нам известно, большое количество одинаково заряженных частиц образует достаточно мощное поле и огромные кулоновские силы отталкивания. Данное ядро держится благодаря тому, что ядерные силы в любом случае больше кулоновских. Однако, когда в ядро попадает нейтрон, он будто разрывает его, в результате чего вылетает несколько дополнительных нейтронов, а также появляется два ядра новых элементов.

Процесс разрыва ядер происходит в результате деформации целостности ядра. Давайте вспомним с Вами график зависимости удельной энергии связи от количества нуклонов в ядре.

Удельная энергия ядер определяется работой, которую нужно приложить для отщепления частицы от ядра. Максимальное значение энергии ядер приходится на зону в графике, которая обозначена голубым цветом. После данной зоны значение энергии связи снова падает. Именно это способствует более легкому делению тяжелых ядер в результате деформации нейтроном.