Реакции синтеза атомных ядер

Реакция синтеза. Ядерным синтезом называется реакция слиянияпротонов и нейтронов или отдельных легких ядер, в результате которой образуется более тяжелое ядро. Простейшими ядерными реакциями синтеза являются:

, ΔQ = 3,26 МэВ; (22.16)

, ΔQ = 17,59 МэВ; (22.17)

, ΔQ = 11,31 МэВ. (22.18)

Расчеты показывают, что энергия, которая выделяется в процессе ядерных реакций синтеза в расчете на единицу массы, значительно превышает энергию, выделяющуюся в реакциях ядерного деления. В процессе реакции деления ядра урана–235 (22.14) выделяется примерно

200 МэВ, т.е. 200:235=0,85 МэВ на нуклон, а в процессе реакции синтеза (22.17) выделяется энергия примерно 17,5 МэВ, т.е.3,5 МэВ на нуклон (17,5:5=3,5 МэВ). Таким образом, в расчете на один нуклон ядра, участвующего вреакции деления, процесс синтеза примерно в 4 раза эффективнеепроцесса деления урана.

Большая скорость протекания этих реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. С управляемым термоядерным синтезом связаны надежды человечества на решение своих энергетических проблем. Ситуация заключается в том, что запасы урана, как сырья для атомных электростанций, на Земле ограничены. А вот дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого ядерного горючего. Несколько сложнее обстоит ситуация с тритием. Тритий радиоактивен (его период полураспада составляет 12,5 лет, реакция распада имеет вид: ), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства.

С этой целью рабочая зона реактора должна быть окружена слоем легкого изотопа лития, в которой будет идти реакция

(22.19)

В результате этой реакции образуется изотоп водорода тритий ().

В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного термоядерного реактора на смеси дейтерия и изотопа гелия , реакция синтеза имеет вид:

МэВ. (22.20)

В результате этой реакции из-за отсутствия нейтронов в продуктах синтеза биологическая опасность реактора может быть снижена на четыре-пять порядков величины как по сравнению с ядерными реакторами деления, так и с термоядерными реакторами, работающими на топливе из дейтерия и трития, также отпадает необходимость промышленной обработки радиоактивных материалов и их транспортировки, качественно упрощается захоронение радиоактивных отходов. Впрочем, перспективы создания в будущем экологически чистого термоядерного реактора на смеси дейтерия () c изотопом гелия () осложняются проблемой сырья: естественные запасы изотопа гелия на Земле незначительны. Поэтому возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например, путем доставки его с Луны.

На пути реализации реакций синтеза в земных условиях возникает проблема электростатического отталкивания легких ядер при их сближении до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, т.е. порядка 10^{-15 м, после чего процесс их слияния происходит за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам должна быть сообщена энергия ≈10 кэВ, что соответствует температуре} T ≈10⁸ K и выше. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Для их осуществления в земных условиях необходим сильный разогрев вещества либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц. Термоядерные реакции осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.Основные требования, которым должен удовлетворять термоядерный реактор, как устройство для осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключаются в следующем.

Во-первых, необходимо надежное удержание горячей плазмы (≈10⁸ K) в зоне реакции. Основополагающая идея, определившая на долгие годы пути решения этой проблемы, была высказана в середине 20-го столетия в СССР, США и Великобритании практически одновременно. Эта идея состоит в использовании магнитных полей для удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы.

Во-вторых, при работе на топливе, содержащем тритий, представляющий собой изотоп водорода с высокой радиоактивностью, будут возникать радиационные повреждения стенок камеры термоядерного реактора. По оценкам экспертов механическая стойкость первой стенки камеры вряд ли сможет превышать 5-6 лет. Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и последующей ее новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов из-за исключительно высокой остаточной радиоактивности.

В-третьих, основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный синтез, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание самой реакции. Большой интерес представляют собой «чистые» термоядерные реакции, не дающие нейтронов, (см. (22.20) и реакцию ниже:

. (22.21)

28. Радиоактивный распад. α -, β -, γ- излучения.

Под радиоактивностью понимают способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие атомные ядра с испусканием радиоактивного излучения.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций, осуществляемых на ускорителях и ядерных реакторах. Принципиальной разницы между природной и искусственной радиоактивностью не существует, ибо свойства изотопа не зависят от способа его образования, и радиоактивный изотоп, полученный искусственным путём, ничем не отличается от такого же природного изотопа.

Радиоактивные превращения протекают с изменением строения, состава и энергетического состояния ядер атомов и сопровождаются испусканием или захватом заряженных или нейтральных частиц и выделением коротковолнового излучения электромагнитной природы (кванты гамма-излучения). Эти испускаемые частицы и кванты носят общее название радиоактивных или ионизирующих излучений, а элементы, ядра которых могут по тем или иным естественным или искусственным причинам самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными или же радионуклидами. Причинами радиоактивного распада являются нарушения равновесия между ядерными короткодействующими силами притяжения и электромагнитными дальнодействующими силами отталкивания положительно заряженных протонов.

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. По своей природе оно делится на фотонное (тормозное, рентгеновское, гамма-излучение) и корпускулярное (альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное).

Из примерно 2500 нуклидов, известных в настоящее время, стабильны только 271. Остальные (90%!) нестабильны, т.е. радиоактивны; путем одного или нескольких последовательных распадов, сопровождающихся испусканием частиц или γ-квантов, они превращаются в стабильные нуклиды.

Изучение состава радиоактивного излучения позволило выделить из него три различных компонента: α–излучение, представляющее собой поток положительно заряженных частиц − ядер гелия (), β−излучение – поток электронов или позитронов, γ-излучение –поток коротковолнового электромагнитного излучения.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма лучей – жесткого, коротковолнового электромагнитного излучения. Гамма-лучи являются основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием кванта.

Законы сохранения. При радиоактивном распаде сохраняются следующие параметры:

1. Заряд. Электрический заряд не может создаваться или исчезать. Общий заряд до и после реакции должен сохраняться, хотя может поразному распределяться среди различных ядер и частиц.

2. Массовое число или число нуклонов после реакции должно быть равно числу нуклонов до реакции.

3. Общая энергия. Кулоновская энергия и энергия эквивалентных масс должна сохраняться во всех реакциях и распадах.

4. Импульс и момент импульса. Сохранение импульса ответственно за распределение кулоновской энергии среди ядер, частиц и/или электромагнитного излучения. Момент импульса относится к спину частиц.

Спонтанный распад любого объекта физики микромира (ядра или частицы) возможен в том случае, если масса продуктов распада меньше массы первичной частицы. Разность масс первичной частицы и продуктов распада распределяется среди продуктов распада в виде их кинетических энергий.

α−распадом называют испускание атомным ядром α− частицы. В случае α− распада должно выполняться условие , (23.1)

где - масса материнского ядра с массовым числом А и порядковым номером Z, - масса дочернего ядра и - масса α− частицы. Каждую из этих масс, в свою очередь, можно представить в виде суммы массового числа и дефекта массы: ,

, .

Подставив эти выражения для масс в неравенство (23.1, получим следующее условие для α− распада: , (23.2)

т.е. разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер должна быть больше дефекта массы α− частицы .

Состояние с наименьшей возможной энергией является устойчивым и называется основным. Остальные состояния называются возбужденными. В них ядро может находиться весьма малое время (10^-8 - 10^-12 с), а затемпереходит в состояние с меньшей энергией, но не обязательно сразу в основное, с испусканием γ− кванта.

Так как α− частицы не существуют в распадающемся ядре все время, а с некоторой конечной вероятностью возникают на его поверхности перед вылетом. то α− распад ядра происходит в результате туннельного эффекта. Считается, что внутри ядра спонтанно образующаяся α− частица находится в потенциальной яме, которая отделена потенциальным барьером конечной ширины и высоты. Этот барьер обусловлен совместным действием на α− частицу ядерных сил притяжения нуклонами и кулоновских сил отталкивания ядерными протонами. Высота барьера в несколько раз больше энергии α− частицы, которая может выйти из ядра только путем просачивания сквозь барьер. В случае барьера прямоугольной формы коэффициент прозрачности, как отмечалось ранее, вычисляется по формуле: , (23.3)

где l - ширина барьера; U(r) – потенциальная энергия α− частицы, находящейся на расстоянии r от центра ядра; Е – ее полная энергия.

При радиус действия ядерных сил, близкий к радиусу ядра) ход потенциальной энергии приближенно можно представить в виде потенциальной ямы с вертикальными стенками (рис. 20.3). При , когда на α− частицу действуют только силы элект­рического отталкивания, ход потенциальной энергии определяется формулой для энергии взаимодействия двух точечных электрических зарядов:

(23.4)

Здесь Z - порядковый номер материнского ядра, a (Z - 2) е - заряд до­чернего ядра, электрическое поле которого отталкивает α− частицу, обла­дающую зарядом 2 е.

Таким образом, потенциальная энергия α− частицы имеет вид барьера, расположенного вокруг ядра, наибольшая высота которого для изотопа урана составляет около 28 МэВ, если радиус области, внутри которой на α− частицу действуют ядерные силы, вычислять по формуле: м.

В случае потенциального барьера произвольной формы коэффициент

прозрачности определяется выражением: , (23.5)

где х ₁ – точка входа α− частицы в потенциальный барьер, х ₂ – точка выхода частицы из барьера, D ₀ − постоянный множитель, зависящий от формы барьера.

Коэффициент прозрачности отличен от нуля и может достигать заметной величины, если малы разность и ширина барьера.

Утяжелых ядер, испытывающих α− распад, как радиусы ядер, так и порядковые номера отличаются друг от друга относительно мало. Форма потенциального барьера оказы­вается практически одинаковой для всех ядер, испытывающих α− распад. В то же время высота и ширина той части барьера, под которой проходит α− частица, заметно уменьшаются с возрастанием энергии α− частицы (см. рис 20.4). Вследствие этого коэффициент D прохождения через потенци­альный барьер очень сильно возрастает. Поэтому при большой энергии α− частицы вероятность того, что она покинет ядро, оказывается большой, и, следовательно, период полураспада - малым.

На рис. 23.2 схематически показана высота и ширина потенциального

барьера U(r), определяемая формулой (23.5). При энергиях α− частиц,

Рис. 23.2

испускаемых ядрами , составляющих 4,2 МэВ, период полураспада составляет лет, а для радионуклида полония при энергиях α− частиц 8,8 МэВ период полураспада составляет с.

Типичным примером радиоактивного распада ядер является реакция

, . (23.6)

Бета–распад ( излучение). Понятие распад объединяет три вида самопроизвольных внутриядерных превращений: электронный −распад, позитронный − распад и электронный захват (Е - захват).

Бета − радиоактивных изотопов значительно больше, чем альфа- активных. Они имеются во всей области изменения массовых чисел ядер от легких ядер до самых тяжелых. Всего известно более 1200 активных изотопов. Из них только 20 являются естественными, а все остальные получены искусственным путем.

Бета-распад атомных ядер обусловлен слабым взаимодействием элементарных частиц и так же, как и -распад, подчиняется определенным закономерностям. При распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская при этом электрон и электронное антинейтрино. Этот процесс происходит по схеме: (23.7)

При −распаде происходит превращение в нейтрон одного из протонов ядра с испусканием при этом позитрона и электронного нейтрино: . (23.8)

Свободный, не входящий в состав ядра нейтрон, распа­дается самопроизвольно согласно реакции (22.7) с периодом полураспада около 12 мин.Это возможно потому, что масса нейтрона а.е.м. больше массы протона а.е.м. на величину а.е.м., которая превышает массу покоя электрона а.е.м., т.к. масса покоя нейтрино равна нулю. Распад же свободного протона запрещен законом сохранения энергии, так как сумма масс покоя получающихся частиц - нейтрона и позитрона - больше массы протона. Распад (22.8) протона, таким образом, возможен только в ядре, если масса дочернего ядра меньше массы материнского ядра на величину, превышающую массу покоя позитрона. Аналогичное условие должно выполняться и в случае распада нейтрона, входящего в состав ядра.

Кроме процесса, происходящего согласно реакции (23.8), превращение протона в нейтрон может происходить также путем захвата протоном электрона с одновременным испуска­нием при этом электронного нейтрино . (23.9)

Так же, как и процесс (23.8), процесс (23.9) не происходит со свободным протоном. Однако если протон находится внутри ядра, то он может захватить один из орбитальных электронов своего атома при условии, что сумма масс материнского ядра и электрона больше массы дочернего ядра. Сама возмож­ность встречи протонов, находящихся внутри ядра, с орбитальными электронами атома обусловлена тем, что, согласно квантовой механике, движение электронов в атоме происходит не по строго определенным орбитам, как это принимается в теории Бора, а имеется некоторая вероятность встретить электрон в любой области пространства внутри атома, в част­ности, и в области, занятой ядром.

Превращение ядра, вызванное захватом орбитального электрона, называют Е -захватом. Чаще всего происходит за­хват электрона, принадлежащего ближайшей к ядру К-оболочке (К-захват). Захват электрона, входящего в состав сле­дующей L-оболочки (L-захват), происходит примерно в 100 раз реже.

В большинстве случаев Е -захват конкурирует с − распадом, который для легких ядер обычно является преобладающим. У тяжелых изотопов, вследствие большого заряда ядра, электроны внутренних оболочек атома находятся сравнительно близко к ядру, поэтому для них Е -захват является преобладающим.

Обнаруживается Е -захват по отдаче, которую получают ядра, захватывая электрон и испуская нейтрино, а также по рентгеновским лучам, которые испускает атом при переходе электронов с верхних оболочек на освободившееся вследствие Е -захвата место во внутренней оболочке.

В отличие от -распада энергетические спектры электронов и позитронов при распаде не являются дискретными. Это значит, что ядра одного и того же изотопа испускают электроны или позитроны не с одним или не­сколькими строго определенными значениями энергии, а со всевозможными значениями энергии от нуля до некоторого максимального значения .

Кинетическую энергию отдачи дочернего ядра из-за ее малости не учитывают. Поэтому можно считать, что энергия распада распределяется только между членами лептонной пары – электроном и антинейтрино при − распаде или позитроном и нейтрино при − распаде. Соотношение между кинетическими энергиями членов лептонной пары может быть любым. Этим и объясняется непрерывность энергетического спектра электронов позитронов при -распаде, хотя энергетические уровни самих ядер дискретны.

В частности, если электрон получает максимальную энергию, то энергия нейтрино оказывается равной нулю, если же электрон вовсе не получает кинетической энергии, то всю энергию, кроме энергии, соответствующей массе покоя электрона, получает нейтрино. В среднем лишь примерно 1/3 часть всей энергии -распада приходится на электроны, остальную часть уносят нейтрино.

Периоды полураспада различных источников −радиоактивного излучения изменяются в широком интервале времени от 10^-2 с до 10¹⁸ лет.

Гамма-излучение. Гамма-излучение является коротковолновым электромагнитным излучением, обладающим чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. представляет собой поток квантов, обладающих энергией , импульсом и спином J.

Гамма − излучение сопровождает и распады ядер, возникает при аннигиляции частиц и античастиц, при торможении быстрых заряженных частиц в среде, при распадах мезонов, присутствует в космическом излучении, в ядерных реакциях и др. Экспериментально установлено, что образовавшееся в результате или распада возбужденное ядро может пройти ряд промежуточных, менее возбужденных состояний. Поэтому излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько видов квантов, отличающихся друг от друга значениями энергии. Время жизни возбужденных состояний ядер обычно резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности спинов ядра в исходном и конечном состояниях.

При радиационном переходе атомного ядра из возбужденного состояния с энергией E_i в основное или менее возбужденное состояние с энергией E_k (E_i > E_k) ₎ происходит испускание кванта, знергия которого определяется выражением:

. (23.10)

В связи с дискретностью энергетических уровней ядра излучение имеет линейчатый спектр энергии и частот. В действительности энергетический спектр ядра делится на дискретную и непрерывную области. В области дискретного спектра расстояния между энергетическими уровнями ядра существенно больше энергетической ширины Г уровня, определяемой временем жизни ядра в этом состоянии:

. (23.11)

Время определяет скорость распада возбужденного ядра: , (23.12)

где число ядер в начальный момент времени (); число нераспавшихся ядер в момент времени t.

Эта область переходов простирается от основного уровня до энергии возбуждения, при которой становится энергетически возможным испускание ядром нуклонов или частицы, либо другой ядерный процесс распада, например, деление ядер. Выше этого порога начинается область непрерывного энергетического спектра ядерных состояний. Величина порога для различных ядер химических элементов различна, но она меньше 20 МэВ.

При радиоактивном распаде ядер обычно наблюдаются кванты с энергией ε от 10 кэВ до 5 МэВ, что в раз больше энергии фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Гамма-кванты больших энергий возникают при распадах элементарных частиц. Например, при распаде покоящегося нейтрального π-мезона возникает γ- излучение с энергией порядка 70 МэВ.

Наряду с радиационным переходом ядра, при котором излучается гамма-квант, существует конкурирующий с ним безизлучательный процесс, называемый внутренней конверсией. В этом процессе энергия, освобождающаяся при ядерном переходе, передается без посредства гамма−кванта одному из электронов внутренних оболочек атома и вызывает ионизацию атома в связи с вылетом электрона за его пределы.

Внутренняя конверсия гамма-лучей по своей природе не является β -распадом. При β -распаде ядро испускает электрон (или позитрон), которого раньше в ядре не было и который возник в результате превращения одного из нейтронов в протон (или одного из протонов в нейтрон). При внутренней конверсии из атома выбрасывается один из электронов атомной оболочки.

В экспериментальных исследованиях широко используется явление резонансного испускания и поглощения γ- квантов атомными ядрами, называемое эффектом Мёссбауэра (ядерный γ- резонанс) и которое наблюдается в кристаллических твердых телах. В кристалле энергия отдачи ядер при поглощении γ- кванта преобразуется в энергию колебаний кристаллической решетки. При этом импульс отдачи передается не отдельному ядру, а всему кристаллу. Исключительно малая ширина резонансных линий (10^-10 эВ) позволяет использовать эффект Мёссбауэра, для измерения небольших изменений энергии γ- квантов, вызванных теми или иными воздействиями на излучающее или поглощающее ядро. Измерения, в которых применяется эффект Мёссбауэра, отличаются высокой избирательностью, т.к. в каждом эксперименте резонансное поглощение наблюдается только для ядер одного сорта. Эффект Мёссбауэра наблюдается для ядер не всех химических элементов, а только примерно для 73 изотопов 41-го элемента; самым легким из них является калий , самым тяжелым – америций .