Лекция 17

Тема 14	ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерные реакции	➨ взаимодействие ядер с частицами или друг с другом, в результате которых происходит искусственное превра-щение одного химического элемента в другой;
· символическая запись ядерной реакции	➨ исходное и конечное ядра соответственно с зарядовыми числами и массовыми числами ; aиb – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы;
· первая в истории ядерная реакция	➨ первую искусственную ядерную реакцию осуществил Резерфорд (1919 г.). Ядро азота при облучении его -частицами (или ядро атома гелия ) превращалось в изотоп кислорода и при этом появился протон (или ядро атома водорода );
· открытие нейтрона	➨ принадлежит английскому физику Дж.Чедвику (1932 г.) в результате ядерной реакции. Ядро бериллия при облучении -частицами превращалось в изотоп углерода и нейтрон ;
· закон сохранения заряда при ядерных реакциях =	➨ сумма электрических зарядов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме электрических зарядов атомных ядер и частиц, образовавшихся после реакции, например: 7 + 2 = 8 + 1 4 + 2 = 6 + 0

· закон сохранения массового числа при ядерных реакциях =	➨ сумма нуклонов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме нуклонов атомных ядер и частиц, образовавшихся после реакции, например: 14 + 4 = 17 + 1 9 + 4 = 12 + 1
· экзотермическая реакция	➨ ядерная реакция с выделением энергии;
· эндотермическая реакция	➨ ядерная реакция с поглощением энергии;
· классификация ядерных реакций	➨ 1) по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; γ-квантов; 2) по энергии вызывающих их частиц – реакция при малых, средних, высоких энергиях; 3) по роду участвующих в них ядер – реакции на легких (А<50); средних (50<А<100) и тяжелых ядрах (А>100); 4) по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ-квантов).
Деление ядер	➨ · деление атомного ядра на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра близких по массе; · делиться могут только ядра некоторых тяжелых эле-ментов; · при делении ядер испускаются два нейтрона и -лучи; · при делении ядер выделяется большая энергия;
· механизм деления ядер (капельная модель)	➨ в тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распад. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка и . Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты;
· открытие деления урана + + + 3	➨ впервые реакцию деления наблюдали немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман (1938г.) при бомбардировке урана нейтронами ; в результате деления возникали элементы средней части периодической системы: барий , криптон ; продуктами деления урана могут быть и другие пары ядер;
· схема реакции деления урана +	➨ истолкование факта деления ядра урана, захватившего нейтрон было дано английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнером (1939 г.). Они предположили, что поглощение ураном нейтрона вызывает разрушение (или деление) ядра урана на два легких осколка и ; эти осколки деления перегружены нейтронами и радиоактивны, т.е. образуются в возбужденных состояниях; в дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов (нейтроны деления); Ядро урана , захватив нейтрон , превращается в радиоактивный изотоп урана , который распадается на осколки и и нейтроны, при этом высвобождается энергия ;
· спонтанное деление ядер	➨ самопроизвольное деление ядер урана обнаружили русские физики Г.Н. Флеров и К.А. Петржак (1940 г.). Без внешнего воздействия ядра урана с периодом полураспада = лет распадаются на осколки. Механизм реакции спонтанного деления ядер не отличается от механизма искусственного деления.
Цепная ядерная реакция	➨ ядерная реакция деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которой число нейтронов возрастает и поэ-тому может возникнуть само-поддерживающийся процесс деления.
· условия протекания цепной ядерной реакции на	➨1) должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны; 2) количество вещества, способного делиться, должно быть достаточным для того, чтобы образующиеся нейтроны могли соударяться с другими ядрами, не покидая объем, не испы-тывая взаимодействия. Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной реакции, называется критической массой; 3) скорость нейтронов должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер;
· неуправляемая цепная реакция	➨ осуществляется в атомной бомбе; взрывчатым вещест-вом служит чистый уран или плутоний ; вначале взрывчатое вещество находится в состоянии, исключающем развитие цепной реакции, затем максимально быстро про-изводится перевод вещества в условия неуправляемой цеп-ной реакции. Для этого ядерный заряд бомбы делится на две части, в каждой из которых цепная реакция невозмож-на. Для осуществления ядерного взрыва одна из половин заряда выстреливается в другую и при их соединении про-исходит взрывная цепная реакция.
Ядерные реакторы	➨ устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции;
· основные элементы ядерного реактора
ядерное горючее	➨ сырьевые и делящиеся вещества в реакторах – изотопы урана , , плутоний , торий ;
замедлитель и отражатель нейтронов регулирующие стержни	➨ способствует увеличению числа медленных нейтронов, которые наиболее эффективны для развития цепной реакции деления (графит, тяжелая или обычная вода);
➨ вводятся в активную зону реактора для поддержания стационарного режима реактора, т.к. быстрое развитие реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора; стержни выполнены из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны (например, из бора или кадмия);
теплоноситель	➨ необходим для отвода тепла, образующегося в реакторе; используют воду, жидкий натрий и другие вещества;
защитные устройства	➨ применяются для защиты персонала, обслуживающего реактор, от действия на организм нейтронных потоков и -лучей; процессы управления реактором автоматизированы;
· быстрые нейтроны	➨ нейтроны, обладающие скоростью примерно 10⁷м/с;
· медленные нейтроны	➨ нейтроны, обладающие скоростью около 2×10³ м/с;
Синтез ядер	➨ слияние легких ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии;
· термоядерная реакция	➨ реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, про-исходящие при сверхвысоких температурах (~ 10⁷К и выше);
· условия для осуществления реакций синтеза	➨ для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстояние около 10^-12см, т.е чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено лишь за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер;
· особенности реакции синтеза	➨ при реакции синтеза атомных ядер энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деле-ния тяжелых ядер;
· пример реакции синтеза	➨ синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития происходит при температуре около К . При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия Дж; такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.
· использование энергии термоядерного синтеза	➨ запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4∙10¹³т, чему соответствует энергетический запас 10¹⁷ МВт∙год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. Например, количество дейтерия в 1 л воды энергетически эквивалентно 300 - 350 л бензина.