Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Ядерные реакции. Энергетический выход ядерной реакции.

Ядерные реакции – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры Х+ а → У + b.

Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое.

Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Виды ядерных реакций:

· через стадию образования составного ядра;

· прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);

· под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;

· синтез ядер;

· деление ядер;

· с поглощением энергии и с выделением энергии.

Первая ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом в 1919, он бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H

- получился изотоп кислорода и протон ¹₁H

        Условия протекания ядерных реакций

1.Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. 2.Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.                                           3.Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
⁷₃Li + ¹₁H → ⁴₂He + ⁴₂He

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ускорители заряженных частиц

Существующие ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до сотен ГэВ. Интенсивность пучков частиц достигает 10¹⁵ – 10¹⁶ частиц в секунду; при этом пучок может быть сфокусирован на мишени площадью всего нескольких квадратных миллиметров. В качестве ускоряемых частиц чаще всего используются протоны и электроны.

Наиболее мощные и дорогостоящие ускорители строятся с чисто научными целями – чтобы получать и исследовать новые частицы, изучать взаимопревращения частиц. Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике – для лечения онкологических больных, для производства радиоактивных изотопов, для улучшения свойств полимерных материалов и для многих других целей.

Многообразие существующих типов ускорителей можно разбить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители, ускорители на встречных пучках.

Где находятся ускорители? В Дубне - институт ядерных исследований, в 1957 году построен синхрофазотрон. В Серпухове – синхрофазотрон, длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; энергия протонов 76 ГэВ. В Новосибирске (институт ядерной физики) введены в действие ускорители на встречных электрон-электронных и электрон-позитронных пучках (пучки по 700 МэВ и 7 ГэВ). Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:
Q = (M _A + M _B – M _C – M _D) c ² = Δ Mc ², где M _A и M _B – массы исходных продуктов, M _C и M _D – массы конечных продуктов реакции. Величина Δ M называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину | Q |, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, надо, чтобы величина Δ M была положительной.

        Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

· поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.

· испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10^-12с.

             Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряд а. Что такое ядерная реакция?

               Частицы, вступающие в яд. реакции:

Протоны-¹₁H или ¹₁p, нейтроны-¹₀n, α-частицы- ⁴₂He, электроны- ⁰_-1е

                            Самостоятельная работа

1. Напишите уравнение ядерной реакций: алюминий (²⁷₁₃Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;

2. Допишите ядерные реакции:

o ⁹₄Be + ¹₁H → ¹¹₅B +?

o ¹⁴₇N +? → ¹⁴₆C + ¹₁p

o ¹⁴₇N + ⁴₂He →? + ¹₁H

o ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P +? (1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри получили радиоактивный изотоп фосфора и Нобелевскую премию)

o? + ⁴₂He → ³⁰₁₄Si +¹₁p

3. Определите энергетический выход ядерной реакции.
¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H
Масса атома азота 14,003074 а.е.м., атома кислорода 16,999133а.е.м., атома гелия 4,002603 а.е.м., атома водорода 1,007825 а.е.м.

(подсказка: найти Δ M – в а.е.м, затем по формуле ищем энергию выхода реакции-имейте ввиду, что c ² =931МэВ/а.е.м. и энергию найдете в МэВ - мегаэлектронвольтах)