Как написать ядерные реакции - Правописание и грамматика

Макеты страниц

Написание уравнений ядерных реакций.

Основными характеристиками ядра являются две величины: его заряд и его массовое число. Поэтому ядро и изображается обычно химическим символом с этими характеристиками, например:

Точно так же изображаются и отдельные частицы, например:

Индексы вверху означают массовые числа ядер, равные сумме чисел протонов и нейтронов, а индексы внизу — атомные номера ядер (числа протонов в ядре), равные порядковому номеру элементов.

Как же химически записать уравнение ядерной реакции?

В левой части уравнения пишут исходные вещества, а в правой — конечные продукты. Между правой и левой частями уравнения ставят стрелку.

Тепловые эффекты ядерных реакций в миллионы раз превышают тепловые эффекты химических реакций и достигают десятков и даже сотен миллионов электронвольт ( ).

При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер, и, следовательно, происходит превращение одних атомов в другие, поэтому применяемая при химических реакциях система проверки правильности написанного уравнения реакции по количеству атомов каждого элемента здесь уже непригодна и должна быть заменена другим приемом.

Уравнение ядерной реакций является правильным, если в правой и левой его половинах соблюдается равенство, общего массового числа и равенство общего числа зарядов. Это правило почти полностью совпадает с правилом проверки правильности ионного уравнения. Например, уравнение:

написано правильно, ибо в нем слева и справа числа атомов каждого элемента и числа зарядов равны.

Уравнение

написано неправильно, ибо в нем равны числа атомов каждого элемента, но нет равенства зарядов.

Напишем несколько уравнений ядерных реакций и прежде всего уравнение реакции Резерфорда.

Он бомбардировал азот -частицами (т. е. ядрами гелия); при этом получались протоны и ядра какого-то другого вещества.

Течение этой реакции выразится следующим уравнением:

Но ядро с зарядом 8 есть ядро кислорода. В окончательном виде уравнение реакции запишется так:

Уравнение написано правильно, так как сумма массовых чисел в левой половине (14+4) равна сумме массовых чисел в правой половине (17+1) и сумма зарядов в левой половине (7+2) равна сумме зарядов в правой половине (8+1).

Рассмотрим еще несколько примеров ядерных реакций:

1. При действии -частицы на бериллий выделяются нейтроны. Уравнение этой реакции запишется так:

(реакция открытия нейтрона).

2. При действии -частицы на серу выделяется дейтрон (ядро дейтерия). Уравнение реакции надо записать так:

3. При действии дейтронов на серу выделяются -частицы. Уравнение реакции:

Для написания уравнения ядерной реакции пользуются периодической системой Д. И. Менделеева, чтобы по порядковому номеру определить название элемента (и наоборот, по названию элемента найти порядковый номер).

Чтобы написать уравнение ядерной реакции, мы должны знать, кроме исходных веществ, хотя бы один конечный продукт из двух.

Уравнение ядерной реакции часто пишут сокращенно, причем сперва пишется взятое для реакции ядро, затем рядом в скобках вначале действующая частица, а затем выделяющаяся частица и, наконец, после скобки, получающееся ядро. В сокращенной записи индексы внизу не пишут, так как заряды ядер заданы химическими символами.

Приведем примеры полных уравнений ядерных реакций и в сокращенной записи.

Для осуществления химической реакции необходимо сближение атомов или молекул до расстояния порядка размеров атомов , при котором может произойти взаимодействие их электронных оболочек. Электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, больше энергии химических реакций.

Чтобы вызвать ядерную, необходимо сообщить ядрам такую энергию, при которой они смогут преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться друг с другом на расстояния порядка см у при которых происходит взаимодействие, обусловленное ядерными силами, действующими между нуклонами.

Ниже приводим типы некоторых ядерных реакций (табл. 26).

Огромное количество энергии (называемой ядерной или атомной) находится в ядре в скрытом сбстоянии. Практическое использование ядерных реакций для освобождения ядерной энергии очень долго оставалось невыгодным из-за малой вероятности удачных попаданий. Однако в 1939 г. наступил новый этап в развитии ядерной физики в связи с открытием деления ядер урана под действием нейтронов.

Ядро урана захватывает нейтрон и распадается на два больших осколка. Происходит, таким образом, совершенно новый вид ядерных превращений — так называемое деление ядер урана.

Очень быстро была установлена химическая природа этих осколков — они оказались радиоактивными изотопами элементов середины периодической системы. Величина этих осколков может быть различной, но сумма их зарядов должна быть равна 92 (заряду ядра урана). Как правило, обычно происходит асимметричное деление ядра, т. е. один осколок несколько тяжелее другого. Чаще всего встречаются такие комбинации осколков: барий + криптон; цезий + рубидий; лантан + бром и др.

Деление ядра урана на два массивных осколка сопровождается выделением большого количества энергии. При полном делении 1 кг урана 235 выделяется около ккал или 20 миллионов киловатт-часов, что равно энергии, выделяющейся при взрыве 20000 т тротила.

Особенностью этой реакции, как показал Жолио-Кюри, является то, что из ядра одновременно вылетает 2—3 нейтрона:

или

где и могут меняться от 30 до 65, и — от 72 до 162.

Вылетевшие нейтроны в свою очередь способны вызвать деление новых ядер урана, начав цепную реакцию.

Таблица 26. Типы некоторых ядерных реакций

Цепная реакция, раз начавшись, может продолжаться самопроизвольно лавинообразно и с нарастающей скоростью.

Для того чтобы цепная реакция могла иметь место, необходимо, чтобы уран был очищен от примесей и его было бы достаточное количество. Наименьшее количество урана, при котором возможна цепная ядерная реакция, называется критической массой. Если количество урана меньше критической массы, то цепной процесс деления ядер может прекратиться; при слишком большой массе урана цепная реакция, если ее не регулировать, может, постепенно ускоряясь, принять характер взрыва.

Кроме урана-235, совершенно аналогичное деление ядер способны также давать плутоний-239 и уран-233. Сырьем для плутония служит уран-238 по реакциям:

Сырьем для урана-233 служит торий:

В настоящее время ядерная энергия уже входит в практический обиход.

27 июня 1954 г. в СССР была пущена первая в мире электростанция в 5000 квт, работающая на ядерной энергии, и эту дату надо считать датой рождения новой области энергетики — ядерной энергетики.

Реактор для получения энергии (урановый котел) загружается ураном, обогащенным до ураном-235. Расход горючего — 30 г урана в сутки.

В конце 1957 г. был спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин», предназначенный для плавания в районах Арктики.

К известным уже до настоящего времени видам энергии: механической, тепловой, химической, электрической и другим прибавился новый вид энергии — ядерная энергия.

Ядерная энергия обладает большой концентрированностью. При пробеге автомобиля «Победа» в 100 000 км двигатель его расходует 10—11 т бензина, а атомный двигатель той же мощности и при том же пробеге израсходует всего лишь 6 г урана.

Второй важной особенностью ядерной энергии является радиоактивность: распадающиеся атомы благодаря своей радиоактивности с помощью соответствующих приборов легко могут быть обнаружены, поэтому их называют «мечеными атомами».

Меченые атомы очень широко применяются в качестве радиоактивных индикаторов, для самых разнообразных целей в научных исследованиях, в промышленности, в сельском хозяйстве, химии, медицине, биологии и других областях.

В последнее время внимание физиков и энергетиков сосредоточено на разработке термоядерных реакций, происходящих при сверхвысоких температурах порядка десятков миллионов градусов и выше.

К таким реакциям относятся:

Источником энергии солнца и других звезд являются термоядерные реакции.

Из них основное значение имеет синтез гелия из водорода по суммарной схеме:

причем данная реакция протекает через целый ряд промежуточных стадий. В недрах солнца температура достигает миллионов градусов, а давление — десятков и сотен миллионов атмосфер. Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. На долю всех остальных элементов (углерод, азот и др.) приходится .

Термоядерные реакции дают на грамм используемого горючего в четыре с лишним раза больше энергии, чем деление ядер урана или плутония. Эти процессы пока реализованы лишь в форме так называемой водородной бомбы. Необходимая для такого процесса сверхвысокая температура (в десятки миллионов градусов) достигается при взрыве атомной бомбы или ), которая детонирует термоядерное «горючее» (обычно смеси изотопов водорода).

Характерная особенность ядерной реакции в том, что, начавшись при очень высокой температуре, она дальше протекает самопроизвольно.

Ввиду того, что тритий очень дорог, главная задача состоит в создании такого управляемого термоядерного реактора, который работал бы на чистом дейтерии. А запасов дейтерия как топлива хватит на сотни миллионов лет, и производство его из обычной воды совсем недорого. Таким образом, после овладения термоядерными реакциями энергетические ресурсы человечества станут практически безграничными.

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ
ВВЕДЕНИЕ
Ионы.
Свободные радикалы.
Энергия активации.
Часть I. РЕАКЦИИ ОБМЕНА В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
I. РЕАКЦИИ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
1. Реакции, протекающие с образованием газов
2. Реакции, протекающие с образованием осадков
3. Реакции, протекающие с образованием слабых электролитов
Реакции получения слабых электролитов.
Амфотерные электролиты.
4. Реакции, протекающие с образованием комплексных ионов
Строение комплексных соединений.
О природе сил, обусловливающих комплексообразование.
Устойчивость комплексов.
Классификация комплексных соединений.
Некоторые особенности комплексных соединений.
Номенклатура комплексных соединений.
II. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Составление уравнений реакций получения кислот, оснований и солей.
Упражнения
Часть II. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
I. КАЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
Переход нейтральных атомов в ионное состояние.
Энергия ионизации и сродство к электрону.
Валентность и степень окисления.
Степень окисления.
Восстановители и окислители
Восстановители, имеющие большое значение в технике и лабораторной практике.
Группа окислителей.
Окислители, имеющие большое значение в технике и лабораторной практике.
Классификация реакций окисления — восстановления
II. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ ОКИСЛЕНИЯ — ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Составление уравнений простейших реакций
Составление уравнений сложных реакций
Реакции в кислой среде.
Реакции в щелочной среде.
Реакции в нейтральной среде.
Особые случаи составления уравнений окислительно-восстановительных реакций.
Составление уравнений реакций диспропорционирования
Составление уравнений реакций внутримолекулярного окисления — восстановления
Составление уравнений реакций с участием воды
Составление уравнений реакций окисления металлов
Окислительно-восстановительные эквиваленты.
Упражнения
III. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ
Электродные потенциалы — мера окислительно-восстановительной способности веществ
Окислительно-восстановительные потенциалы
Константа равновесия.
Пользование таблицей окислительно-восстановительных потенциалов и выводы из нее
Термодинамическое определение направления химических реакций
Упражнения
Часть III. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Строение атома
Принцип Паули.
Принцип наименьшей энергии.
Правило Гунда.
Спиновая теория валентности.
s-Элементы
р-Элементы
d-Элементы
f-Элементы
СТРОЕНИЕ ЯДРА
Ядерные силы.
Ядерные реакции.
Написание уравнений ядерных реакций.
Трансурановые элементы.
Упражнения
ЧАСТЬ IV. УПРАЖНЕНИЯ ПО СОСТАВЛЕНИЮ ХИМИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
Водород, кислород, перекись водорода
Щелочные металлы
Медь, серебро, золото
Бериллий, магний и щелочноземельные металлы
Цинк, кадмий, ртуть
Бор, алюминий и элементы подгруппы скандия
Углерод, кремний, олово, свинец и элементы подгруппы титана
Азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут и элементы подгруппы ванадия
Сера, селен, теллур, полоний
Хром, молибден, вольфрам
Галогены
Марганец
Железо, кобальт, никель и платиновые металлы
Лантаноиды
Актиноиды
Дополнительные (смешанные) упражнения
Часть V. РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НА СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ
Реакции с образованием газов
Реакции с образованием и растворением осадков
Растворение осадков.
Реакции с образованием слабых электролитов
Реакции с образованием комплексных ионов
II. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Качественная характеристика окислительно-восстановительных реакций
Количественная характеристика окислительно-восстановительных реакций
III. УПРАЖНЕНИЯ ПО СОСТАВЛЕНИЮ ХИМИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
Водород, кислород, перекись водорода
Щелочные металлы
Сера, селен, теллур, полоний
Железо, кобальт, никель и платиновые металлы
ОТВЕТЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
I. Номенклатура неорганических соединений
II. Технические и обыденные названия некоторых веществ
III. Растворимость солей
IV. Растворимость и произведение растворимости малорастворимых веществ
V. Потенциалы ионизации элементов (эв)
VI. Нормальные (стандартные) окислительно-восстановительные потенциалы
VII. Характеристика некоторых элементарных частиц

Источник

Ядерная реакция – 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 телеграм.

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 чисел (снизу) в правой и левой частях уравнения совпадают.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы.

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 тут. 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.

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Определение 1

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия одного ядра с другим или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

Результатом ядерных реакций является образование новых радиоактивных изотопов, которые не существуют на Земле в естественных условиях.

Осуществление первой ядерной реакции пришлось на 1919 год. Э. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах распада ядер. Он бомбардировал атомы азота α-частицами. Во время соударений частиц шла ядерная реакция, для которой подразумевалась специальная схема:

N714+He24→O817+H11.

В ее процессе выполняются законы сохранения импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции характеризуются законом сохранения барионного заряда (количества нуклонов). Применимы и другие законы, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Протекание ядерной реакции идет с помощью бомбардирования атомов быстрыми заряженными частицами (протонами, нейтронами, α-частицами, ионами). Изначально она была проведена с помощью протонов, содержащих большую энергию, полученных на ускорителе, еще в 1932 году:

Li37+H11→He24+He24.

Больше всего ученых заинтересовали реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Беспрепятственный их проход в атомные ядра связан с отсутствием заряда. Физик Э. Ферми занимался изучением реакций, вызываемых нейтронами. Он выявил, что такие превращения могут быть вызваны медленными и быстрыми нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Они сопровождаются энергетическими превращениями.

Определение 2

Энергетический выход – это величина Q=MA+MB-MC-MDc2=∆Mc2,

где MA и MB подразумевают массы исходных продуктов реакции, а MC и MD массы конечных. Значение ∆M называют дефектом масс.

Определение 3

Любые ядерные реакции протекают с выделением Q>0 или поглощением Q<0 энергии. Последняя из них говорит о том, что первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов не должна превышать величину Q, которая получила название порога реакции.

Чтобы у ядерной реакции был положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна равняться меньшему значению удельной энергии нуклонов конечных. Это значит, что ∆M должно быть положительное.

Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные.

Деление тяжелых ядер

Данный способ освобождения ядерной реакции отличаются от радиоактивного распада ядер тем, что сопровождаются испусканием α- или β- частиц. Сама реакция – процесс деления нестабильного ядра на две крупные части сравнимых масс.

Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z=56, криптона
Z=36 и других.

Уран можно встретить в виде двух изотопов U92238 (99,3 %) и U92235 (0,7 %). Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U92235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U92238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 МэВ.

Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U92235. На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145, которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:

При делении ядра, инициированного нейтроном, появляются новые, которые вызывают реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 являются другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и др.

Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, достигает 200 МэВ. Оценка энергии производится с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Для ядер с массовым числом A≈240 удельная энергия связи нуклонов в ядрах порядка 7,6 МэВ/нуклон, а для ядер с массовыми числами А=90-145 она составляет – 8,5 МэВ/нуклон. Отсюда следует, что процесс деления способен освободить энергию около 0,9 МэВ/нуклон, то есть 210 МэВ на один атом урана. Энергия, выделяемая при полном делении всех ядер 1 г урана сравнима со сгоранием 3 т угля или 2,5 т нефти.

Нестабильность продуктов деления ядра выражается в содержании избыточного числа нейтронов. По отношению NZ наиболее тяжелые ядра составляют примерно 1,6, при массовых числах от 90 до 145 отношение порядка 1,3–1,4. Отсюда следует, что ядра-осколки испытывают последовательные β- распады, в результате которых число протонов возрастает, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Деление ядра урана-235 вызвано столкновениями с нейтроном, после чего происходит освобождение еще двух или трех. При наличии благоприятных условий они попадают в другие ядра урана и вызывают их деления. Этот этап характеризуется нейронами в количестве 4-9, которые далее вызывают его распад.

Определение 4

Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.

На рисунке 6.8.1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6.8.1. Схема развития цепной реакции.

Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1. Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.

Освободившиеся при делении ядер урана-235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0,7%.

Изотоп U92238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана-235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана-235 составляет 50 кг. Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D2O. Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.

Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.

Определение 5

Атомные бомбы – это характерный пример цепной неуправляемой ядерной реакции, в результате которой происходит реактивное соединение двух кусков урана-235, каждый из которых обладает массой ниже критической.

Определение 6

Устройство, поддерживаемое управляемой реакцией деления ядер, называют ядерным (атомным) реактором.

На рисунке 6.8.2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.

Рисунок 6.8.2. Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

Протекание ядерной реакции характерно для активной зоны реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями с обогащенной смесью изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3%). Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции.

Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления (натрий). Передача тепловой энергии воде производится теплоносителем, находящимся в парогенераторе. Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I и парогенератора II по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 13. Чтобы произвести 1000 МВт электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 МВт тепловой мощности в реакторе. Около 2000 МВт уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.

Основной трудностью работы таких станций является обеспечение полной радиационной безопасности находящихся на ней людей и предотвращения случайных выбросов радиоактивных веществ, которые накапливаются в активной зоне реактора. Данной проблеме уделяется особое внимание. После произошедших аварий на АЭС в Пенсильвании в 1979 году и в Чернобыле в 1986 году вопрос безопасности становится особенно необходимым.

Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15% изотопа υ92235. Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана-238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β-распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает значений 1,5, то есть на получение 1,5 кг плутония приходится 1 кг урана-235. Обычные реакторы также образуют плутоний, но в меньших количествах.

В США первый ядерный реактор был построен в 1942 году под руководством Э. Ферми, а в нашей стране в 1946 году с И.В. Курчатовым.

Термоядерные реакции

Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6.6.1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А. Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A<60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.

Определение 7

Реакция слияния ядер получила название термоядерных, так как их протекание возможно только при высоких температурах.

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2·10-15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 108-109 К. Она слишком высокая.

Определение 8

Температура 108-109 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.

Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, в расчете на 1 нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, которая выходит при цепной реакции деления ядер, показанная на примере формулы. То есть при реакции слияния ядер дейтерия и трития

H12+H13→He24+n01+17,6 выдает 3,5 Мэв/кулон. Полное выделение энергии составляет 17, 6 МэВ. Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.

Возможность осуществления управляемых термоядерных реакций дает человеку новый и экологически чистый источник практически неисчерпаемой энергии. Но для получения сверхвысоких температур и удержания плазмы, нагретой до миллиарда градусов, требуется решение труднейшей научно-технической задачи для осуществления термоядерного синтеза.

Данный этап развития науки характеризуется наличием неуправляемой реакции синтеза в водородной бомбе. Достижение высокой температуры, необходимой для ядерного синтеза, производится путем взрыва урановой или плутониевой бомбы.

Пример 1

Роль термоядерных реакций важна в эволюции Вселенной. Энергия изучения Солнца и звезд характеризуется термоядерным происхождением. Примером служит ядерная реакция горения гелия, изображенная ниже.

Рисунок 6.8.3. Возраст 107 лет.

Внутреннее строение звезды с массой 5M ⊙ как функция возраста. Заштрихованы области протекания ядерных реакций. Конвективные зоны отмечены точками.

Рисунок 6.8.4. Модель ядерного реактора.

Рисунок 6.8.5. Модель синтеза гелия.

Рисунок 6.8.6. Модель ядерных превращений.

Источник

Ядерной реакцией
называется
процесс интенсивного взаимодействия
атомного ядра с элементарной частицей
или с другим ядром, приводящий к
преобразованию ядра.

Наиболее
распространенным видом ядерной реакции
является взаимодействие легкой частицы
«а»
с ядром Х,
в результате чего образуется легкая
частица «b»
и ядро Y

Ядерные реакции
могут сопровождаться как выделением,
так и поглощением энергии. Количество
выделяющейся энергии называется тепловым
эффектом реакции.
Он
определяется разностью масс покоя
исходных и конечных ядер (массы выражаются
в энергетических единицах).

В настоящее время
известны следующие типы ядерных реакций:

Реакция захвата,
заключающаяся в объединении двух
встретившихся частиц;
Реакция обмена,
заключающаяся
в захвате одной частицы и выбрасывании
другой;
Реакция деления
или расщепления ядра под
воздействием энергии, полученной ядром
в той или иной форме;
Реакция
рассеяния, заключающаяся
в том, что, под воздействием бомбардирующих
частиц, ядро испускает частицы того же
типа, что и бомбардирующие.

Как установил
Н.Бор в 1936г., реакции, вызванные не очень
быстрыми частицами, протекают в два
этапа. Первый
этап заключается в захвате приблизившейся
к ядру «Х» на достаточное расстояния
посторонней частицы «а» и в образовании
промежуточного ядра «П»,
называемого составным
ядром или
компаунд-ядром.
Энергия,
принесенная частицей «а»,
перераспределяется между всеми нуклонами
составного ядра, в результате чего это
ядро оказывается в возбужденном
состоянии.

На втором этапе
составное
ядро испускает частицу «b».
Символически такое протекание ядерной
реакции в две стадии можно представить
следующим образом

Может случиться,
что испускаемая частица, окажется
тождественной с захваченной (т.е.

).
Такой процесс называется рассеянием.
Если энергия частицы «а » равна энергии
частицы «b»,
то рассеяние будет упругим.
Если же они не равны, то рассеяние будет
неупругим.

Реакции, вызываемые
быстрыми нуклонами, протекают без
образования промежуточного ядра. Такие
реакции носят название прямых
ядерных взаимодействий.

Рассмотрим
перечисленные типы реакций более
подробно.

При реации
захвата происходит
застревание налетевшей частицы в ядре.
Ядро возбуждается и испускает избыток
энергии излучая
γ – лучи.
Примером такой реакции может служить
реакция захвата нейтронов кадмием или
фосфором

При реакции
обмена налетевшая
на ядро частица также застревает в ядре.
Оно в свою очередь выбрасывает другую
частицу и превращается в ядро другого
элемента. Примером такой реакции может
служить реакция превращения азота в
кислород

и реакция получения
нейтрона

Этот тип реакции
имеет широкое применение в устройствах,
служащих для получения нейтронов.

При реакции
рассеяния ядро
испускает частицу, тождественную с
налетевшей. Различают два вида реакций
рассеяния: упругое
и неупругое рассеяние.

Упругое рассеяние.
При этом
типе рассеяния суммарная кинетическая
энергия взаимодействующих частиц не
меняется.
Неупругое
рассеяние.
При этом типе рассеивания суммарная
кинетическая энергия соударяющихся
частиц уменьшается, и разность энергий
излучается в виде энергии γ- фотона.

Примером упругого
рассеяния может служить рассеяние
нейтронов углеродом, которое используется
в ядерных реакторах для замедления
нейтронов

Примером
неупругого рассеяния может служить
процесс, происходящий при соударении
быстрого нейтрона с ядром урана 238

Наиболее широкое
практическое применение получила
реакция деления, на рассмотрении которой
мы остановимся несколько позже.

Первая ядерная
реакция была осуществлена Резерфордом
в 1919г. При облучении азота α–частицами,
испускаемыми радиоактивным источником,
некоторые ядра азота превращались в
ядра кислорода, испуская при этом протон.
Уравнение этой реакции имеет вид

Ядерная реакция,
вызванная искусственно ускоренными
частицами, была впервые осуществлена
Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью
умножителя напряжения они ускоряли
протоны до энергии порядка 0,8 МЭВ и
наблюдали реакцию

В дальнейшем, по
мере развития техники ускорения
заряженных частиц, множилось число
ядерных превращений, осуществляемых
искусственным путем.

Практически
наибольшее значение имеют реакции,
вызываемые нейтронами. В отличие от
других заряженных частиц, нейтроны не
испытывают кулоновского отталкивания
и поэтому могут проникать в ядра, обладая
очень малой энергией.

В атмосфере под
действием нейтронов, образуемых
космическими лучами, происходит реакция

Возникающий при
этом углерод радиоактивен. Его период
полураспада – 5600 лет. Он усваивается
растениями и участвует в круговороте
веществ в природе. Пока органическое
вещество живет, убыль в нем углерода
восполняется за счет круговорота веществ
в природе. В момент смерти организма
процесс усвоения углерода сразу же
прекращается, а его количество начинает
убывать по закону радиоактивного
распада. Следовательно, измерив его
концентрацию в останках организмов
(древесине, костях и т.д.) можно определить
дату их смерти. Проверка этого метода
на древних образцах, возраст которых
точно определен исторически, дала вполне
удовлетворительные результаты.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

В курсе ядерной физики в школе изучается явление взаимного превращения одного вещества в другое. Данные превращения могут быть как спонтанные (радиоактивный распад), так и индуцированные (несколько ядер сталкивают друг с другом). В результате такой реакции получается новые вещества. Для описания таких превращений используют введённую нами форму записи для элементов и организуют их в подобие уравнения:

$displaystyle {}_{{{p}_{1}}}^{z1}{{A}_{1}}+{}_{p2}^{z2}{{A}_{2}}to {}_{p3}^{z3}{{A}_{3}}+{}_{p4}^{z4}{{A}_{4}}$ (1)

где

Единственное, чем мы можем пользоваться в таких уравнениях, это простая логика — количество нуклонов и протонов в ходе реакции измениться не должно, таким образом, мы можем получить два уравнения:

displaystyle z1+z2=z3+z4 (2)

displaystyle p1+p2=p3+p4 (3)

Такие задачи обычно нацелены на поиск неизвестного элемента, и соотношений (2) — (3) для этого хватает. Находим количество протонов и нейтронов и, используя таблицу Менделеева, определяем нужный элемент.

Пример: пусть ядро азота и ядро гелия, сталкиваясь образуют ядро кислорода и неизвестный элемент. Найти данный элемент. По задаче сформируем уравнение:

$displaystyle {}_{7}^{14}N+{}_{2}^{4}Heto {}_{p}^{z}X+{}_{8}^{17}O$ (4)

Воспользуемся законом сохранения нуклонов (2) и (3):

Тогда искомый элемент — водород ( $displaystyle {}_{1}^{1}H$ ).

Среди элементов, которые текстово могут встретиться в таких задачах, присутствуют:

Бетта-частица является обычным электроном, однако в ядре электронов нет, тогда электроны из ядра получается в результате ядерной реакции: $displaystyle {}_{0}^{1}nto {}_{1}^{1}p+{}_{-1}^{0}beta$ .

Вывод: задачи на данную тематику практически всегда касаются поиска конкретного элемента в реакции. Поиск осуществляется законом сохранения нуклонов (уравнения (1) и (2)).

Источник