Реакции деления и синтеза

Деление тяжелых ядер. Цепная реакция

Реакция деления ядра заключается в том. Что тяжёлое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на 2 ядра-осколка и сопровождается испусканием 2-3 вторичных нейтронов. Энергия или энергетический эффект реакции Е равна разности энергий конечной и исходной пар ядер и частиц в реакции. Например, реакция деления ядер урана идет по схеме

+ →++ 2

Энергетический эффект этой ядерной реакции определяется по формуле

.

Осколки деления ядра цезия Csи рубидияRbпретерпевают ряд превращений, в результате которых из радиоактивных они превращаются в стабильные изотопы церияи циркония.

Деление урана сопровождается выделением огромной энергии (1 г урана энергетически эквивалентен 2,5 т угля). Для поддержания реакции деления требуется подводить нейтроны. При каждом акте деления освобождается несколько нейтронов (в среднем 2,5), которые, в свою очередь, вызвав акт деления создадут еще избыточные нейтроны. Число нейтронов растет в геометрической прогрессии и таким образом поддерживается цепная реакция.

Важнейшей характеристикой развития и поддержания цепных реакций является коэффициент размножения нейтронов к

к = ,

где N_iиN_i-1– числа нейтронов, вызывающих деление ядер на двух соседних этапах реакции. При к = 1 цепная реакция идет с постоянной интенсивностью. При к > 1 реакция приобретает лавинообразный характер, т.е. становится цепной.

Ценные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является неуправляемой реакцией. Чтобы этого не произошло в ней или делится на две удалённые друг от друга части с массами ниже критических. При соединении этих частей наступает неуправляемая ядерная реакция – атомный взрыв.

В природе имеются 3 изотопа, которые могут служить ядерным топливом. Это уран с природной распространённостью 0,7%. Сырьём для его получения могут служить торий и уран - с природной распространённостью 99,3%. Торий служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива урана. Уран , поглощая нейтроны, посредством двух последовательных - распадов – превращается в ядро плутония .

Реакция синтеза. Термоядерная реакция

Реакция синтеза – это образование из легких ядер более тяжелых посредством их соединения. Наиболее благоприятной с энергетической точки зрения является реакция синтеза ядер дейтерия и трития

+ →+

В этой реакции на 1 нуклон выделяется энергия ≃3,5 МэВ, т.е. в 4раза больше чем при делении урана. Такая реакция может протекать при температурах∼10⁷К и для подержания управляемой реакции необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру Т≃10⁸К, что представляет собой громадную техническую трудность.

Неуправляемая термоядерная реакция осуществлена при взрыве водородной бомбы по схеме

+ → + .

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддерживание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸К. При данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизированную плазму и возникает проблема ее надежной термоизоляции от стенок рабочего объема. Считается, что основной путь в этом направлении – это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

Ядерные реакции и законы сохранения

Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами. У тяжёлых ядер (например, ) наблюдаются спонтанные превращения, называемые делением ядра, при котором ядро делится на два ядра – осколки и 2-3нейтрона. Ядра-осколки радиоактивны.

При ядерных реакциях соблюдаются следующие законы сохранения.

1. Закон сохранения суммарного электрического заряда. Сумма зарядов ядер и частиц, впускающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов ядер и частиц конечных продуктов реакции.
2. Закон сохранения числа нуклонов. Сумма массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме массовых числе конечных продуктов реакции.
3. Закон сохранения энергии.
4. Закон сохранения импульса.
5. Закон сохранения момента импульса.

Ядерная реакция протекает в две стадии по следующей схеме

где Х – ядро-мишень, а – бомбардирующее ядро или частица, С – промежуточное возбуждённое ядро (компаунд-ядро), Y– ядро - конечный продукт реакции,b– образовавшаяся частица. Одна из первых ядерных реакций осуществлена Резерфордом в 1919г., при бомбардировке азота -частицами.

Эффективность протекания ядерной реакции характеризуется эффективным сечением σ

,

где N- число превращений на 1 см²мишени в 1 с;

N₀- число бомбардирующих частиц в 1 с на 1 см²мишени;

n_t- число ядер мишени, находящихся на 1 см²площади.

Единица измерения 1 барн = 10^-24 см².

Закономерности и происхождение излучений

Закон радиоактивного распада

Явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или ядер и излучением энергии называется радиоактивностью. Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях называется естественной.

Основными видами естественной радиоактивности являются: α –излучение - это испускание α-частиц – ядер гелия с Z= 2 и А = 4; β-излучение – это испускание электронов и позитронов; γ-излучение – это испускание квантов электромагнитного излучения чрезвычайно малых длин волн.

Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс, на него не воздействуют процессы, которые могут изменить состояние электронной оболочки (химический состав, агрегатное состояние, давление, температура и т.п.).

Распад ядра является случайным событием, поэтому изменение радиоактивности со временем подчиняется статистической закономерности. Можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за промежуток времениdt, пропорционально промежутку времениdtи числуNне распавшихся ядер к моменту времениt.

dN= - λNdt,

где λ – постоянная радиоактивного распада,

знак “-“ указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и интегрируя, получим выражение закона радиоактивного распада

N=N₀ ,

где N₀- первоначальное число не распавшихся ядер приt= 0,

N- число ядер, не претерпевших распада к моменту времениt,

(N₀–N) - число ядер, распавшихся за времяt,

λ - постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядер данного элемента за 1 с.

Время Т, по истечении которого число распавшихся частиц уменьшается вдвое называют периодом полураспада.

Если t=T, то; откуда λТ =ln2, и Т =.

Число ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

ΔN=N₀–N=N₀(1-).

Активностью радиоактивного вещества называется число ядер, распавшихся в единицу времени:

.

Единицей активности является кюри, т.е. активность, соответствующая 3,7 10¹⁰распадов в секунду. Величинаназывается средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Закономерности радиоактивного распада

α – распад– представляет собой превращение атомных ядер с испусканием α-частицы (ядра гелия) и протекает по следующей схеме

→+

- материнское ядро; - дочернее ядро, - ядро гелия.

α – распад свойствен тяжелым ядрам с А > 200 и Z> 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц (чему способствует насыщение ядерных сил), которые подвержены действию кулоновских сил больше, чем отдельные протоны.

В ядре урана α-частицы покидают его с максимальной энергией 4,2 МэВ, тогда как высота потенциального барьера равна 28,1 МэВ. В результате туннельного эффекта α-частица может покинуть пределы ядра (что обусловлено волновой природой α-частиц). У одного и того же α-радиоактивного элемента имеется несколько групп α-частиц, обладающих различными энергиями порядка нескольких МэВ и соответственно различными длинами пробегов. Это свидетельствует о дискретности энергетических уровней ядер.

Протекая через вещество, -частица расходует свою энергию на ионизацию атомов и молекул вещества.

На пути пробега порядка нескольких сантиметров в воздухе α-частица образует порядка 10⁵пар ионов; на один акт ионизации расходуется около 35 эВ энергии. Примером - распада может служить распад ядра изотопа урана, который происходит по схеме с образованием тория

→+ .

Если дочернее ядро окажется возбужденным, то оно испускает γ – квант излучения. Образовавшееся дочерние ядро тория имеет зарядовое число на Zединицы. А массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского ядра урана.

Бетта-распад. Ядерное превращение, сопровождаемое испусканием электрона, позитрона или захватом электрона (к-захват) называется бетта-распадом. Беттас-распад происходит по схеме

В результате распада испускается электрон и антинейтрино , а дочернее ядро увеличивает свой заряд на единицу. Примером-распада является превращение тория протактиний

Бета-плюс распад происходит по схеме

В результате -распада испускается позитрон и антинейтрино, а дочернее ядро уменьшает свой заряд на единицу. В качестве примера можно привести превращение азотав углерод.

Третий вид -распада (к-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино. К-захват происходит по схеме

Примером к-захвата может служить превращение калия в аргон

.

Если дочернее ядро в результате β-распада оказывается в возбужденном состоянии, то при переходе в состояние с меньшей энергией ядро высвечивает γ -квант, - антинейтрино или ν - нейтрино.

Гамма-радиоактивность – это испускание электромагнитных волн в виде γ –квантов с малой длиной волны (большими частотами) очень высоких энергий. Оно не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α– и β- распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д. гамма-спектр является линейчатым. Дискретность γ-спектра свидетельствует о дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Гамма-излучение испускается не материнским, а дочерним ядром. Гамма-кванты, проходя через вещество, могут взаимодействовать с электронами атомов, а также с их ядрами. Ослабление γ-излучения в веществе происходит в основном в результате трех процессов: фотоэффекта, комптоновского рассеяния и эффекта образования пар.

Фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Если электрон выбивается из одной из внутренних оболочек, то фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект происходит на связанных электронах при малых энергиях (≤ 100 кэВ) γ-фотонов.

Комптоновское рассеяние является преимущественным механизмом взаимодействия γ-квантов с веществом при их энергии 0,5 МэВ.

При энергиях > 1,02 МэВ = 2m₀c²возможен процесс образования электронно-позитронных пар.

Ослабление интенсивности γ-излучения в веществе описывается экспоненциальным законом Бугера-Ламберта

I=I₀ 

I₀иI- интенсивности излучения на входе и выходе из слоя поглощающего вещества толщиной х, μ – линейный коэффициент поглощения.

Правило смещения при радиоактивном распаде

При радиоактивном распаде происходит превращение ядер одних элементов в другие, которое подчиняются правилусмещения. Согласно этому правилу при α – распаде массовое число А уменьшается на 4, а зарядовое числоZна 2 единицы; при-распаде А не изменяется, аZвозрастает на 1; в ядре 1 нейтрон превращается в протон; при β⁺- распаде А не изменяется, аZубывает на 1; в ядре один протон превращается в нейтрон.

Символическая запись такого смещения следующая:

→ + - образовалось ядро нового элемента с массовым числом равным (А– 4) и зарядовым числом (Z– 2), т.е. ядро элемента, находящегося в периодической таблице на 2 клетки влево от исходного.

→ +- образовалось ядро нового элемента сZна 1 больше, т.е. ядро элемента из следующей клетки таблицы Менделеева.

→ +- образовалось ядро нового элемента сZна 1 меньше, т.е. ядро химического элемента находящегося в таблице Менделеева на 1 клетку влево.

Возникающие в результате распада ядра могут быть радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда радиоактивных превращений.

Цепочка последовательных превращений элементов называется радиоактивным семейством или радиоактивным рядом. В природе существует 4 радиоактивных ряда или семейства, родоначальника которых является уран, торий и нептуний

ряд урана включает превращения от до , ряд тория включает превращения отдо, ряд актиния включает превращения от до, ряд нептуния включает превращения отдо.