Ядерные реакции и ядерная энергия

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г., превратившим азот в кислород по ядерной реакции: ^I4₇N + ²₀ а + \р —► ¹⁷₈О

Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:

(α, n) - реакции	Al+ He→ P+ n
(α, p) - реакции	N+ He→ P+ p
(n, α) - реакции	Al+ n→ Na+ He
(n, p) - реакции	Cl+ n→ S+ p
(n, γ) - реакции	Co+ n→ Co+γ

В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия:

C+ p→ N → C+β⁺

C+ p→ N

N+ p→ O→ N+β⁺

N+ p→ C+ He

Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2-0,00055) + протоны (2-1,0076) + нейтроны (2-1,0089) = 4,0341.

В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет

E= ·(3·10¹⁰)²=4,512·10^-12Дж/атом=28,12МэВ

Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рисунке ниже приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.

Ядерная энергия связи

На этом рисунке видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50. Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.

Одним из направлений ядерной энергетики является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции

H+ H→ He+ n