Взаимодействия частиц и ядерных реакций. Ядерные реакции, видео
Вспомним вкратце, что мы уже знаем об атоме:
- ядро атома имеет чрезвычайно большую плотность при очень малом размере (относительно самого атома);
- в ядре находятся протоны и нейтроны;
- электроны находятся вне ядра на энергетических уровнях;
- протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, а нейтроны - не имеют заряда. В целом атом нейтрален, т.к. имеет равное число протонов и электронов;
- количество нейтронов, находящихся в каждом атоме одного и того же элемента, может быть разным. Атомы, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное кол-во нейтронов, называются изотопами .
В периодической таблице химический элемент "кислород" обозначается следующим образом:
- 16 - массовое число (сумма протонов и нейтронов);
- 8 - порядковый (атомный) номер элемента (количество протонов в ядре атома);
- О - обозначение элемента.
1. Радиоактивность
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.
Если нам известна одна из частиц, получившаяся при распаде, то можно вычислить и другую частицу, поскольку во время ядреной реакции соблюдается, так называемый, баланс масс ядерной реакции.
Суть ядерной реакции схематически можно выразить так:
Реагенты, вступающие в реакцию → Продукты, получившиеся в результате реакции
Ядерная реакция считается сбалансированной , если сумма атомных номеров элементов в левой части выражения будет равна сумме атомных номеров элементов, полученных после реакции. Это же условие должно соблюдаться и для сумм массовых чисел. Предположим, что происходит ядерная реакция: изотоп хлора (хлор-35) бомбардируется нейтроном с образованием изотопа водорода (водород-1):
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 Х + 1 1 H
Какой Х-элемент будет находиться в правой части уравнения реакции?
Исходя из баланса масс ядерной реакции, атомный номер неизвестного элемента будет равен 16. В Периодической таблице под этим номером находится элемент сера (S). Т.о., можно сказать, что в результате нашей ядерной реакции при бомбардировке изотопа хлора (хлор-35) нейтроном получается изотоп водорода (водород-1) и изотоп серы (сера-35). Этот процесс называют еще ядерным превращением .
35 17 Cl + 1 0 n → 35 16 S + 1 1 H
При помощи подобных ядерных превращений ученые научились получать искусственные изотопы, которые не встречаются в природе.
2. Почему изотопы распадаются?
В ядре атома находятся протоны (положительно заряженные частицы), которые сконцентрированы в очень малом пространстве. Ранее мы говорили, что в ядре атома действуют некие удерживающие силы (так называемый, "ядерный клей"), которые не дают одноименно заряженным нейтронам разорвать ядро атома. Но иногда энергия отталкивания частиц превосходит энергию склеивания, и ядро раскалывается на части - происходит радиоактивный распад.
Ученые установили, что все химические элементы, в ядре которых более 84 протонов (под этим порядковым номером в таблице находится полоний - Ро), являются нестабильными и время от времени подвергаются радиоактивному распаду. Однако, существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, но они также являются радиоактивными. Дело в том, что о стабильности изотопа можно судить по соотношению количества протонов и нейтронов атома. Изотоп будет нестабилен, если разность между количеством протонов и нейтронов велика (много протонов и мало нейтронов, либо мало протонов и много нейтронов). Изотоп элемента будет устойчивым, если количество нейтронов и протонов в его атоме примерно равно.
Поэтому, неустойчивые изотопы, подвергаясь радиоактивному распаду, превращаются в другие элементы. Процесс превращения будет идти до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп.
3. Период полураспада
Когда же происходит радиоактивный распад атома неустойчивого элемента? Это может произойти в любой момент: через пару мгновений, или через 100 лет. Но, если выборка атомов по определенному элементу достаточно велика, то можно вывести определенную закономерность.
Ниже в таблице приведены данные периода полураспада для некоторых радиоактивных изотопов
Период полураспада необходимо знать для того, чтобы определить время, когда радиоактивный элемент станет безопасен - это произойдет, когда его радиоактивность упадет настолько, что ее нельзя будет обнаружить, т.е., через 10 периодов полураспада.
4. Цепная ядерная реакция
В 30-х годах прошлого столетия ученые начали пытаться управлять ядерными реакциями. В результате бомбардирования (обычно нейтроном) ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра. Например:
235 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 3 1 0 n
Такой процесс называется расщеплением (делением) ядра . В результате высвобождается колоссальное количество энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы частиц до реакции и после нее, то окажется, что в результате ядерной реакции часть массы бесследно исчезла. Такую потерю массы принято называть дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
Великий Альберт Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу: E = mc 2 , где
Е
- количество энергии;
m
- дефект массы (исчезнувшая масса вещества);
с
- скорость света = 300 000 км/с
Поскольку скорость света является очень большой величиной самой по себе, а в формуле она возводится в квадрат, то даже ничтожно малое "исчезновение массы" приводит к высвобождению достаточно большого количества энергии.
Из приведенного выше уравнения расщепления урана-235 видно, что в процессе деления ядра расходуется один электрон, а получается сразу три. В свою очередь, эти три, вновь полученных электрона, встретив на "своем пути" три ядра урана-235, произведут очередное расщепление, в результате чего получится уже 9 нейтронов и т.д… Такой непрерывно нарастающий каскад расщеплений называется цепной реакцией .
Цепная реакция возможна только с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Так цепная реакция с изотопом урана (уран-238) невозможна, т.к. высвободится только один нейтрон:
238 92 U + 1 0 n → 142 56 Ba + 91 36 Kr + 1 0 n
Для ядерных реакций используют изотопы урана (уран-235) и плутона (плутон-239). Чтобы ядерная реакция смогла протекать самостоятельно, требуется определенное количество расщепляемого вещества, называемое критической массой . В противном случае число избыточных нейтронов будет недостаточным для осуществления ядерной реакции. Масса расщепляемого вещества меньше критической называется субкритической .
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.
Ядерная реакция на быстрых протонах.
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:
Ядерные реакции на нейтронах.
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.
Законы сохранения заряда, массового числа и 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.
Ядерной
реакцией называется процесс сильного
взаимодействия атомного ядра с
элементарной частицей или с другим
ядром, приводящий к преобразованию
ядра. Наиболее распространенным видом
ядерной реакции является реакция типа
,
где
-
легкие частицы – нейтрон, протон,
-частица,
-квант.
Реакции,
вызываемые не очень быстрыми частицами,
протекают в два этапа. На первом этапе
частицы, приблизившиеся к ядру,
захватываются им, образуя промежуточное
ядро – компаунд-ядро. Энергия, привнесенная
частицей, перераспределяется между
нуклонами, и ядро оказывается в
возбужденном состоянии. На втором этапе
ядро испускает частицу
.
.
Если
,
то это не ядерная реакция, а процесс
рассеяния. Если
-
упругое рассеяние, если
-
неупругое рассеяние.
Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами, происходят без образования промежуточного ядра – это прямые ядерные взаимодействия.
Реакции делятся:
по роду участвующих в ядерных реакциях частиц.
По энергии участвующих частиц (холодные, горячие)
По роду ядер, участвующих в реакции (легкие, средние, тяжелые)
По характеру продуктов, получаемых в результате реакции (элементарные частицы, протоны, нейтроны)
Реакции деления ядер . В 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Реакция характеризуется выделением большого количества энергии. Впоследствии было выяснено, что захватившее нейтрон ядро может делиться разными путями. Продукты деления называются осколками. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как :
Церий - стабилен
Цирконий – стабилен.
Ядро урана делится только быстрыми нейтронами. При меньших энергиях нейтроны поглощаются, и ядро переходит в возбужденное состояние – это радиационный захват.
Нейтроны,
которые, образуются в результате деления
урана, могут вызвать еще реакцию, и т.д.
– это цепная ядерная реакция. Коэффициент
размножения нейтронов – это отношение
числа нейтронов в данном поколении к
числу нейтронов в предыдущем поколении.
Цепная реакция идет при
.
Из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности, многие нейтроны покидают зону реакции до того как будут захвачены ядром. Если масса делящегося урана меньше некоторой критической, то большинство нейтронов вылетают наружу и цепная реакция не происходит. Если масса больше критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция имеет характер взрыва (на этом основано действие атомной бомбы). В реакторах регулируют критическую массу, поглощая лишние нейтроны кадмиевыми и угольными стержнями.
Слияние легких ядер в более тяжелые – это реакция синтеза. Если реакция происходит при высоких температурах – это термоядерная реакция. Термоядерная реакция является, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.
Типы взаимодействия элементарных частиц.
Развитие физики элементарных частиц связано с изучением космических лучей. Существует 2 типа космического излучения: первичное, приходящее из космоса и состоящее в основном из высокоэнергетичных протонов, и вторичное, которое образуется в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном излучении выделяют жесткую и мягкую компоненты.
Существует 4 типа взаимодействия:
Сильное взаимодействие в 100 раз больше, чем электромагнитное, и в 10 14 раз, чем слабое. Радиус действия сильного 10 -15 м, слабого 10 -19 м.
– процесс взаимодействия ядра с элементарной частицей или другим ядром, в процессе которого происходит изменение строения и свойств ядра . Например, испускание ядром элементарных частиц, его деление, испускание фотонов с высокой энергией (гамма-квантов ). Одним из результатов ядерных реакций является образование изотопов, не существующих в естественных условиях на Земле.
Протекать ядерные реакции могут при бомбардировке атомов быстрыми частицами (протоны , нейтроны , ионы , альфа-частицы ).
Больше полезной информации по разным темам – у нас в телерам .
Ядерные реакции
Одна из первых проведенных людьми ядерных реакций была осуществлена Резерфордом в 1919 году с целью обнаружения протона. Тогда еще не было известно, что ядро состоит их нуклонов (протоны и нейтроны ). При расщеплении многих элементов была обнаружена частица, являющаяся ядром атома водорода. На основе опытов Резерфорд сделал предположение, что данная частица входит в состав всех ядер.
Эта реакция как раз и описывает один из экспериментов ученого. В опыте выше газ (азот ) бомбардируется альфа-частицами (ядра гелия ), которые, выбивая из ядер азота протон , превращают его в изотоп кислорода. Запись этой реакции выглядит следующим образом:
При решении задач на ядерные реакции следует помнить, что при их протекании выполняются классические законы сохранения: заряда , момента импульса , импульса и энергии .
Также существует закон сохранения барионного заряда . Это значит, что число нуклонов, участвующих в реакции, остается неизменным. Если мы посмотрим на реакцию, то увидим, что суммы массовых чисел (цифра сверху) и атомных чисе л (снизу) в правой и левой частях уравнения совпадают.
Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на .
Удельная энергия связи ядер
Как известно, внутри ядра на расстояниях порядка его размера действует одно из фундаментальных физических взаимодействий – сильное взаимодействие . Чтобы его преодолеть и «развалить» ядро, необходимо большое количество энергии.
Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая, чтобы расщепить ядро атома на составляющие его элементарные частицы.
Масса любого атомного ядра меньше, чем масса составляющих его частиц. Разность масс ядра и его составляющих нуклонов называется дефектом масс:
Числа Z и N легко определяются при помощи таблицы Менделеева , а почитать о том, как это делается, можно . Энергия связи высчитывается по формуле:
Энергия ядерных реакций
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Существует величина, называемая энергетическим выходом реакции и определяемая формулой
Дельта M – дефект масс, но в данном случае это разница масс между начальными и конечными продуктами ядерной реакции.
Реакции могут протекать как с выделением энергии, так и с ее поглощением. Такие реакции называются соответственно экзотермическими
и эндотермическими
.
Чтобы протекала экзотермическая реакция
, необходимо выполнение следующего условия: кинетическая энергия начальных продуктов должна быть больше кинетической энергии продуктов, образовавшихся в ходе реакции.
Эндотермическая реакция возможна в случае, когда удельная энергия связи нуклонов в исходных продуктах меньше удельной энергии связи ядер конечных продуктов.
Примеры решения задач по ядерной реакции
А теперь пара практических примеров с решением:
Даже если Вам попалась задачка со звездочкой, стоит помнить – нерешаемых задач не существует. Студенческий сервис поможет выполнить любое задание.
Явление самопроизвольного распада неустойчивых ядер нуклида, в результате которого образуются ядра одного нового нуклида или более, сопровождающееся ионизирующим излучением, называется радиоактивностью. Радиоактивность была открыта в 1896 г. Бекке- релем. Радиоактивны все нуклиды тяжелых элементов конца Периодической системы, начиная с полония (86 Ро), и все нуклиды, искусственно полученные в результате ядерных реакций. Устойчивость радионуклидов характеризует период их полураспада: время, в течение которого распадается половина исходных ядер. Он колеблется от сотен миллионов лет до ничтожных долей секунды.
Можно выделить следующие основные виды ионизирующего излучения.
1. Излучение положительно заряженных ядер атомов гелия 4 2 Не, названных а-частицами. Они обладают низкой проникающей способностью (поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров, листом бумаги и т.п.), но проявляют очень высокую ионизирующую способность. Как внешние источники а-излучатели не опасны, но очень опасно их проникновение внутрь организмов.
Такой тип радиоактивного излучения характерен для ядер тяжелых элементов. При этом заряд исходного ядра Z уменьшается на 2 единицы, а массовое число А - на 4 единицы, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на две клетки влево от исходного радиоактивного элемента, с массовым числом, меньшим на 4 единицы (правило а-радиоактивного смещения Содди - Фаянса)
Например:
2. Излучение электронов е (), несущих отрицательный заряд и названных (3-частицами. Они обладают большей проникающей способностью, чем а-частицы, но меньшей ионизирующей способностью. При излучении (3-частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется, т.е. образуется нуклид элемента, смещенного в Периодической системе на одну клетку вправо от исходного радиоактивного элемента с тем же массовым числом (правило (3-радиоактивного смещения Содди - Фаянса):
Например:
(3-излучение характерно для радионуклидов, имеющих избыточное относительно устойчивых ядер количество нейтронов.
Разновидностью подобного излучения можно считать поток античастиц электрона - позитронов е + (^е ), имеющих ту же массу, что и электрон, но положительный заряд ((3 + -частицы). При излучении Р + -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не меняется:
Например:
К подобным результатам приводит К-захват - захват ядром электрона с ближайшего к нему квантового К-уровня:
р + -излучение и К-захват характерны для радионуклидов, имеющих относительно избыточное количество протонов. (При р + - и p-распаде происходит также испускание особых нейтральных частиц с ничтожно малой массой - нейтрино о и антинейтрино о; их обычно не включают в уравнения ядерных реакций.)
- 3. Жесткое коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны, меньшей, чем у рентгеновского, которое сопровождает многие ядерные превращения, получившее название у-излучения. Оно не отклоняется в электрических и магнитных полях и обладает высокой проникающей способностью. Заряд и массовое число ядра при у-излучении остаются неизменными. Превращения химического элемента в другой не происходит. у-Излучение обусловлено переходом ядер радионуклидов из возбужденного в менее возбужденное или стационарное состояние.
- 4. Нейтронное излучение (Jп ), часто возникающее в результате ядерных реакций, особенно в результате реакций деления атомных ядер. Из-за отсутствия заряда и наличия значительной массы оно обладает большой проникающей способностью и возможностью инициирования ядерных реакций (наведенная радиоактивность).
Ядерные реакции - это превращения ядер нуклидов. Радиоактивность является частным случаем ядерных реакций спонтанного разложения.
Другие виды ядерных реакций происходят при взаимодействии ядер нуклидов с элементарными частицами, более легкими ядрами, у-квантами. Как правило, такому взаимодействию препятствует значительный потенциальный барьер. Он преодолевается бомбардировкой более легкими частицами с высокой кинетической энергией мишени из вещества, содержащего ядра более тяжелого нуклида. Заряженные бомбардирующие частицы разгоняются в ускорителях, например, в синхрофазотронах. В андронных коллайдерах (от to collide - сталкиваться) два потока ядер тяжелых нуклидов (андронов) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в определенной зоне. Электрически незаряженные нейтроны получают высокую энергию в ядерных реакторах (быстрые нейтроны).
Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке нуклида азота-14 ядрами гелия-4 (а-частицами):
В ядерной физике чаще используется сокращенная форма записи: ^Na(a,/>) "О. Это пример ядерной реакции обмена. Примеры других типов реакций обмена:
По типу реакций обмена получены многие искусственные элементы Периодической системы, не встречающиеся в природе. В этом случае мишень из относительно устойчивого и доступного тяжелого нуклида бомбардируется ядрами другого нуклида. Например, калифорний был получен бомбардировкой самария ядрами гелия: 2 9бСш (a,«) 2 9gCf,а борий 2 Jj 2 Bh - слиянием ядер висмута 2 ^Вi и хрома 26 Сг.
Реакция, при которой бомбардирующая частица (например, медленный нейтрон) остается в ядре с испусканием энергии возбуждения ядра в виде у-излучения, называется реакцией захвата. Например: 28 Ni+ 0 w 28 Ni + Y-
Возможен противоположный процесс, называемый ядерным фотоэффектом, - поглощение у-кванта, в результате которого испускается какая-либо ядерная частица (часто нейтрон):
- 93-7,. I 92 7_ I 1
- 40Zr + y -> 40 Zr + 0 п.
Радионуклиды урана 2 Ци, 2 Ци и плутония ^Ри поглощают нейтроны и делятся на два сопоставимых по массе «осколка» и два или три нейтрона, например:
Такие реакции называются реакциями деления. Освобождающиеся нейтроны при определенных условиях могут инициировать большое количество новых актов деления, что приведет к цепной ядерной реакции. Суммарная масса осколков и нейтронов (Ет у) меньше, чем делящегося ядра (т). Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению энергии:
При одном акте деления ядра выделяется около 200 МэВ; при делении одного моль урана-235 (235 г) выделяется огромная энергия - около 2 10 10 кДж! (Для сравнения: при сгорании такой же массы метана СН 4 выделяется менее 1 10 4 кДж.) Нерегулируемая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. Регулируемая реакция является источником энергии, получаемой на АЭС.
Соединение двух легких ядер в одно более тяжелое называется реакцией термоядерного синтеза. При протекании таких реакций выделяется огромная энергия, поскольку масса исходных ядер меньше, чем ядер продуктов такой реакции. Например, в реакции трития (водорода-3) и дейтерия (водорода-2):
при получении одного ядра гелия-4 выделяется 17,6 МэВ, что эквивалентно 1,7 10 9 кДж на один моль (4,0 г) гелия. На единицу массы это примерно в четыре раза больше, чем при делении ядер урана-235. Однако для слияния ядер необходимо преодоление силы их кулоновского отталкивания. Это можно осуществить, увеличив температуру до сотен миллионов градусов. Такая реакция протекает в недрах Солнца. Впервые на Земле спонтанная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в так называемой водородной бомбе, в который необходимая температура достигалась с помощью взрыва ядерной бомбы, служившей «запалом». В мире интенсивно ведутся работы по осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза.