Ядерные реакции. Деление и синтез ядер (ЕГЭ-ОГЭ)

Для осуществления таких реакций необходимо сближение ядер и частиц на расстояние порядка ${\displaystyle 10^{-15}}$ м (размеры ядра). В случае реакции между ядрами требуется большая энергия для преодоления действующего между ними кулоновского отталкивания. Эту энергию можно сообщить ядрам с помощью ускорителей или путём нагрева до очень высоких температур. При бомбардировке нейтронами высокая энергия не нужна, потому что кулоновское отталкивание отсутствует.

Энергетический выход ядерной реакции ${\displaystyle \Delta E=(\Sigma M_{i}-\Sigma M_{j})c^{2}}$, где

${\displaystyle \Sigma M_{i}}$ — cумма масс частиц, вступающих в реакцию,

${\displaystyle \Sigma M_{j}}$ — сумма масс продуктов реакции.

${\displaystyle \Delta E<0}$ — энергия поглощается,

${\displaystyle \Delta E>0}$ — энергия выделяется.

Законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов реакции.

Реакция деления ядра — реакция, при которой тяжёлое (Z > 82) ядро под действием нейтронов (или других частиц) делится на несколько более лёгких ядер, близких по массе.

Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Необходимое условие цепной реакции: ${\displaystyle K\geqslant 1}$, где ${\displaystyle K}$ — коэффициент размножения частиц (нейтронов), то есть отношение числа частиц в данном поколении к числу частиц в предыдущем поколении.

Критическая масса — минимальная масса активного вещества, в которой может возникнуть цепная реакция. Ядерные реакция характеризуются большим энергетическим выходом: так, при делении 1 грамма урана выделяется такое же количество энергии, как при сгорании 3 тонн угля.

Термоядерная реакция — реакция синтеза лёгких атомных ядер, происходящая при сверхвысокой температуре (порядка ${\displaystyle 10^{7}K}$).

Делением атомного ядра называется процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Однако спонтанные процессы обычно не относятся к ядерным реакциям, поэтому ядерной реакцией является лишь вынужденное деление (при захвате нейтронов, фотоделение и т.п.) Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах.

Ядерный синтез — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

• Если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своём пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1917, опубликовано 1919, Э. Резерфорд), а также ускорителях заряженных частиц (впервые 1931, Р. Ван-де-Грааф) и установках наподобие фузора или реактора «Поливелл», в которых кинетическая энергия заряженным частицам придаётся электрическим полем. Таким путём были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы.

• Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции (см. ниже).

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

${\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}+n\rightarrow {}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}+\gamma .}$

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

${\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}(n,\gamma ){}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}.}$

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции (читается: эн-гамма-реакция). Другие примеры: (α, n)-реакция, (p, 2n)-реакция, (d, t)-реакция, (α, ⁶Li)-реакция и т. п.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы:

${\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}(\alpha ,p){}_{8}^{17}{\textrm {O}},}$ где ${\displaystyle p={}_{1}^{1}{\textrm {H}}}$ — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта (α, p)-реакция выглядит как:

${\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}+\alpha \rightarrow p+{}_{8}^{17}{\textrm {O}}.}$