Ядерна реакція

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Реакція між 6Li та дейтерієм з утворенням двох альфа-частинок.

Ядерна реакція - явище перетворення ядер атомів хімічних елементів і елементарних частинок. Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно, або у зіткненнях частинок речовини з високою енергією. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності.

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути ендотермічними й екзотермічними.

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду та реакції синтезу. Особливим типом ядерної реакції є поділ ядра. Терміни розпад ядра і поділ ядра означають зовсім різні типи реакцій[Джерело?].

Історія[ред.ред. код]

Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою

 ^{14}_7\text{N} + \alpha \rightarrow \, ^{17}_8\text{O} + p .


Закони збереження при ядерних реакціях[ред.ред. код]

Під час ядерних реакцій виконуються загальні закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу та електричного заряду.

Окрім того існує низка особливих законів збереження, притаманних ядерній взаємодії, наприклад, закон збереження баріонного заряду.

Енергетичний вихід ядерної реакції[ред.ред. код]

Якщо сума мас спокою частинок до реакції більша за суму мас спокою частинок після реакції, то така реакція відбувається з виділенням енергії. Таку енергію називають енергетичним виходом ядерної реакції. Енергетичний вихід ядерної реакції обчислюється за формулою ΔE=Δmc2, де Δm - дефект маси, c - швидкість світла.

Види ядерних реакцій[ред.ред. код]

Ядерні реакції синтезу[ред.ред. код]

Докладніше: Ядерний синтез

Під час ядерних реакцій синтезу з легких ядер елементів утворюються нові, важчі ядра.

Зазвичай реакції синтезу можливі тільки за умов, коли ядра мають велику кінетичну енергію, оскільки сили електростатичного відштовхування перешкоджають зближенню однаково заряджених ядер, створюючи так званий кулонівський бар'єр.

Штучним шляхом цього вдається досягти за допомогою прискорювачів заряджених частинок , в яких іони, протони або α-частинки прискорюють електричним полем, або термоядерних реакторів, де іони речовини набувають кінетичної енергії за рахунок теплового руху. В останньому випадку мову ведуть про реакцію термоядерного синтезу.

Ядерний синтез у природі[ред.ред. код]

Докладніше: Нуклеосинтез
У природі реакції синтезу розпочалися у перші хвилини після Великого вибуху. Під час первинного нуклеосинтезу з протонів утворилися лише деякі найлегші ядра (дейтерію, гелію, літію).
Наразі ядерні реакції відбуваються у ядрах зір, наприклад, у Сонці. Основним процесом є утворення ядра гелію з чотирьох протонів, що може відбуватися або в протон-протонному ланцюжку, або в циклі Бете-Вайцзекера.

У зорях, маса яких перевищує половину M☉, можуть утворюватися й інші, важчі елементи. Цей процес розпочинається з утворення ядер вуглецю у потрійній α-реакції. Утворені ядра взаємодіють із протонами та α-частинками і, таким чином, утворюються хімічні елементи аж до залізного піка.

Утворення важчих ядер (від заліза до бісмуту) відбувається у оболонках досить масивних зір на стадії червоного гіганта здебільшого завдяки s-процесу та, частково, завдяки p-процесу. Найважчі (нестабільні) ядра утворюються під час спалахів наднових.

Ядерні реакції розпаду[ред.ред. код]

Докладніше: Радіоактивність

Реакціями розпаду зумовлена альфа- та бета-радіоактивність. При альфа-розпаді з ядра вилітає альфа-частинка 4He, а масове число й зарядове числа ядра змінюються на 4 та 2 відповідно. При бета-розпаді з ядра вилітає електрон або позитрон, масове число ядра не змінюється, а зарядове збільшується або зменшується на 1. Обидва типи розпаду відбуваються спонтанно.

Поділ ядра[ред.ред. код]

Докладніше: Поділ ядра

Невелика кількість ізотопів здатна до поділу — реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як спонтанно, так і вимушено - під дією інших частинок, здебільшого — нейтронів.

1939 року було виявлено, що ядра урану-235 здатні не лише до спонтанного поділу (на два легших ядра) з виділенням ~200 МеВ енергії та випроміненням двох-трьох нейтронів, але й до вимушеного поділу, що ініціюється нейтронами. Враховуючи, що в результаті такого поділу теж випромінюються нейтрони, які можуть викликати нові реакції вимушеного поділу сусідніх ядер урану, стала очевидною можливість ланцюгової ядерної реакції. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3% складається з ізотопу урану-238, а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7%.

Механізм ядерної реакції поділу полягає у наступному. Ядерні сили через взаємодію обмінними віртуальними частинками (у більшості випадків відбувається піон-нуклонна взаємодія), мають нецентральний характер. Це означає, що нуклони не можуть взаємодіяти одночасно з усіма нуклонами у ядрі, особливо в багатонуклонних ядрах. При великій кількості нуклонів у ядрі це зумовлює асиметрію густини ядерних сил та подальшу асиметрію нуклонного зв'язку, а отже, й асиметрію енергії по об'єму ядра. Ядро набуває форми, яка суттєво відрізняється від кулястої. У такому разі електростатична взаємодія між протонами може за величиною енергії наближатися до сильної взаємодії.

Таким чином, внаслідок асиметрії, енергетичний бар'єр поділу долається, і ядро розпадається на легші ядра, асиметричні за масою.

Іноді ядро може тунелювати у стан з меншою енергією.

Ядерні реакції у житті людини[ред.ред. код]

Атомна бомба[ред.ред. код]

Докладніше: Атомна бомба

Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер у ХХ столітті почали застосовувати в атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції потрібно мати критичну масу (масу, необхідну для розвитку ланцюгової реакції), то для здійснення атомного вибуху декілька частин з масами, що менші за критичну, поєднуються, утворюється надкритична маса і в ній виникає ланцюгова реакція поділу, що супроводжується вивільненням великої кількості енергії — відбувається атомний вибух.

Ядерний реактор[ред.ред. код]

Докладніше: Ядерний реактор

Для перетворення теплової енергії розпаду ядер на електричну енергію використовують ядерний реактор. Як пальне у реакторі застосовується суміш ізотопів Урану-235 та Урану-238, або Плутоній-239. При потраплянні швидких нейтронів до ядра атома Урану-238 відбувається його перетворення на плутоній-239 і його подальший розпад з вивільненням енергії. Процес може бути циклічним, проте для цього необхідні реактори, які працюють на швидких нейтронах. Зараз же як основний компонент в реакторах застосовується нуклід Урану-235. Для його взаємодії зі швидкими нейтронами необхідне їх сповільнення. Як сповільнювач застосовують:

  • графіт — добре сповільнення, слабке поглинання, придатний для Урану-238 як палива
  • воду:
    • «легка вода» H2O - дуже добре сповільнення, значне поглинання нейтронів, що негативно позначається на кількості вивільненої енергії
    • важка вода D2O - дуже добре сповільнення, слабке поглинання нейтронів.

За типом води, що використовується у реакторах, D2O або H2O, реактори поділяються на важководяні та легководяні відповідно. У важководяних реакторах як пальне використовується нуклід Урану-238, у легководяних - Уран-235.

Для керування реакцією розпаду та її припинення застосовують регулювальні стрижні, що містять ізотопи бору або кадмію.

Енергію, яка виділяється під час ланцюгової реакції поділу, виводить теплоносій. Через це він нагрівається, і при потраплянні у воду він нагріває її, перетворюючи на пару (часто теплоносієм є сама вода). Пара обертає парову турбіну, яка обертає ротор генератора змінного струму.