Термоядерные реакции. Цепная ядерная реакция. Деление урана.

Тема: Ядерные реакции

ЯДЕРНЫЕ РЕКЦИИ

Определение: ЯР - это искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами ( протонами, нейтронами, альфа-частицами, гамма-частицами) или другими ядрами.

Определение: ЯР - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и с выделением вторичных частиц или квантов.

Условие, когда протекание ядерной реакции становится возможным:

• когда ядро и частица (или другое ядро) сближаются на расстояния, при которых начинают действовать ядерные силы. 

Так как в реакцию могут вступать ядро и положительно заряженная частица (протон), то необходимо преодолеть возникающие между ними силы отталкивания. Это возможно при больших скоростях частиц. Такие скорости достигаются в ускорителях элементарных частиц. 

При ядерных реакциях выполняется закон сохранения массового и зарядового числа

(утверждение о сохранении в ядерных реакциях электрического и барионного зарядов).

+

ИСТОЧНИКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЯДЕРНЫХ:

- естественные радиоактивные элементы - ускорители элементарных частиц - космическое излучение.

КАК ПРОИСХОДЯТ ЯДЕРНЫЕ РЕКЦИИ?

• Превращения ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергии связи).

Определение : Разность сумм энергии покоя ядер и частиц до реакции и после реакции называется энергетическим выходом ядерной реакции.

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЫХОДА ЯДЕРНОЙ:

- рассчитать сумму масс  (m1) ядер и  частиц до реакции; - рассчитать сумму масс ( m2) ядер и   частиц  после  реакции; - рассчитать изменение массы - рассчитать энергетический выход реакции, т.е. изменение энергии равно произведению изменения массы на квадрат скорости света .

При ядерных реакциях всегда выполняются законы сохранения массовых и зарядовых чисел.

ВЫДЕЛЕНИЕ ИЛИ ПОГЛАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ?

Ядерная реакция может проходить с выделением энергии и с поглощением энергии.

Изменение внутренней энергии частиц в результате ядерной реакции связано с изменением масс покоя частиц. 

• Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, меньше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается поглощение энергии.

2. Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается выделение энергии.

ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР

Реакция превращения одного ядра в другое в лабораторных условиях была впервые осуществлена Э. Резерфордом.

Он обнаружил, что для разрушения или превращения ядра нужна  большая энергия.  Наиболее подходящими "снарядами", обладающими достаточной для разрушения ядра энергией, были альфа-частицы.  Первым ядром, подвергшимся искусственному превращению, было ядро азота.

В результате бомбардировки ядра азота альфа-частицами оно превращается в ядро изотопа кислорода с испусканием протонов- ядер атома водорода.  Другие ученые заметили превращение ядер фтора, натрия, алюминия и др.

Ядра элементов, размещающихся в конце таблицы Менделеева, не испытывали таких превращений., т.к. из-за их большого электрического заряда альфа-частицы отталкивались, не вступая во взаимодействие.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

• При бомбардировке железа 5626Fe нейтронами образуется (β-радиоактивный изотоп марганца с атомной массой 56. Написать реакцию получения искусственно радиоактивного марганца и реакцию происходящего с ним β-распада.
• Радиоактивный марганец 5425Mn получают двумя путями. Первый путь состоит в облучении изотопа железа 5626Fe дейтронами, второй — в облучении изотопа железа 5426Fe нейтронами. Написать ядерные реакции.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

• При облучении изотопа меди  63 29 Cu протонами реакция может идти несколькими путями: с выделением одного нейтрона; с выделением двух нейтронов; с выделением протона и нейтрона. Ядра каких элементов образуются в каждом случае?
• При облучении лития-7 протонами получается гелий-4. Напишите эту реакцию. Сколько энергии выделяется при такой реакции?  

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

• При облучении изотопа азота 157N протонами образуется углерод и α-частица. Найти полезный энергетический выход ядерной реакции, если для ее осуществления энергия протона должна быть 1,2 МэВ.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

Выделяется или поглощается энергия при следующих ядерных реакциях:

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

В 1939 ГОДУ немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман сделали открытие, последствия которого коренным образом изменили жизнь человечества. Был создан и новый источник энергии – ядерная энергетика, и самое страшное ядерное оружие. Этим открытием было деление ядер урана при бомбардировке нейтронами.

Капельная модель Бора-Френкеля.

Нейтрон, попадая на ядро, дает ему дополнительную энергию, и ядро начинает колебаться. В ядре помимо ядерных сил, присутствует сила электростатического отталкивания , действующая между протонами. И как только крайние части ядра во время колебаний отдалятся на расстояние, где ядерные силы уменьшаются, а электростатические увеличиваются, тогда ядро разрываются на части. Образуется два тяжелых осколка и 2-3 нейтрона. При этом освобождается огромная энергия. Которая переходит в кинетическую энергию осколков и нейтронов.

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться.  Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона. Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо. Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой.  Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.  Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

Сравнение ядерной энергии и энергии химического процесса

Энергия, которая выделяется при делении ядра, огромна.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Определение: ЦЯР - это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.  При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k. При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв. При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществлении цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.  В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов. Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Условия протекания цепной реакции в уране-235:

• минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе - скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана - отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

Критическая масса: - если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию - если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов - если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).

В 1941 году советские физики сделали исключительно важное открытие. Они установили, что обычный уран может делиться без воздействия каких-либо нейтронов. Он может дать первичные нейтроны для последующих делений. То есть обнаружено явление самопроизвольного деления урана.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

• При бомбардировке азота 147N нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается протон. Написать реакцию. Полученное ядро изотопа углерода оказывается β-радиоактивным. Написать происходящую при этом реакцию.
• При облучении изотопа меди 6329Cu протонами реакция может идти несколькими путями: с выделением одного нейтрона; с выделением двух нейтронов; с выделением протона и нейтрона. Ядра каких элементов образуются в каждом случае?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

•   Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бора 115B α-частицами и сопровождающуюся выбиванием нейтронов.
• Элемент менделевий был получен при облучении эйнштейния 25399Es α-частицами с выделением нейтрона. Написать реакцию.

Домашнее задание

• Учебник Г.Я. Мякишев: 106-109
• Задачник А.П. Рымкевич: №1185, №1192.