Перегляд вихідного коду сторінки Ядерна реакція

[[Файл:Nuclear reaction Li6-d.svg|thumb|Реакція між <sup>6</sup>Li та [[дейтерій|дейтерієм]] з утворенням двох [[Альфа-частинка|альфа-частинок]]]]
{{ядерна фізика}}
'''Ядерна реакція'''&nbsp;— явище перетворення [[ядро атома|ядер атомів]] [[хімічний елемент|хімічних елементів]] і [[елементарна частинка|елементарних частинок]]. Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно, або після зіткнення ядра з високоенергетичними частинками (наприклад, [[Фотоядерна реакція|фотоядерні реакції]] відбуваються після зіткнення з високоенергетичним [[Гамма-промені|гамма-квантом]]). Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної [[радіоактивність|радіоактивності]].

Як і хімічні реакції, ядерні реакції можуть бути [[ендотермічна реакція|ендотермічними]] й [[екзотермічна реакція|екзотермічними]].

Ядерні реакції поділяються на реакції розпаду ([[альфа-розпад]], [[бета-розпад]] і [[кластерний розпад]]), при яких ядро випромінює частики та реакції [[Ядерний синтез|ядерного синтезу]], при яких легкі ядра зливаються, утворюючи більш важкі. Особливим типом ядерної реакції є [[поділ ядра]], при якому важке ядро розпадається на два легших ядра, зазвичай, випромінюючи при цьому [[нейтрон]]и. Іншим специфічним типом ядерних реакцій є реакції захоплення, при яких ядра [[Захоплення нейтронів|захоплюють нейтрон]] або [[Електронне захоплення|електрон з атомної оболонки]].

== Історія ==
Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у [[1919]] році [[Ернест Резерфорд]], опромінюючи [[альфа-частинка]]ми [[азот]]<ref>[https://www.britannica.com/science/nuclear-reaction Nuclear reaction]{{ref-en}}</ref>. Реакція відбувалася за схемою
: <math> ^{14}_7\text{N} + \alpha \rightarrow \, ^{17}_8\text{O} + p </math>.

== Закони збереження при ядерних реакціях ==
Під час ядерних реакцій виконуються загальні [[закони збереження]] [[закон збереження енергії|енергії]], [[закон збереження імпульсу|імпульсу]], [[закон збереження моменту імпульсу|моменту імпульсу]] та [[закон збереження електричного заряду|електричного заряду]].

Окрім того існує низка особливих законів збереження, притаманних ядерній взаємодії, наприклад, закон збереження [[Баріонний заряд|баріонного заряду]].

== Енергетичний вихід ядерної реакції ==
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=Δmc<sup>2</sup>, де Δm&nbsp;— [[дефект маси]], c&nbsp;— [[швидкість світла]].

== Канали реакції ==
Канал реакції&nbsp;— один із різних шляхів яким може піти [[хімічна реакція|хімічна]] або [[ядерна реакція]], в результаті якої при однакових вихідних реагентах утворюються різні продукти.

Наприклад, при реакції [[літій|літію]] з повільним [[протон]]ом, утворюється проміжне ядро [[берилій|берилію]], яке може розпастися за різними каналами:
: <math> ^7\text{Li} + p \rightarrow ^8\text{Be} \rightarrow \left\{ 
\begin{matrix}
^7\text{Li} + p \\
2^4{\text{He}} \\ 
^8\text{Be} + \gamma \\
^7\text{Li}^* + p \\
^6\text{Li} + d 
\end{matrix} \right. </math>

== Види ядерних реакцій ==

=== Ядерні реакції синтезу ===
{{Main|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 [[прискорювач заряджених частинок|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 ====
{{Main|Нуклеосинтез}}
У природі реакції синтезу розпочалися у перші хвилини після [[Великий вибух|Великого вибуху]]. Під час первинного нуклеосинтезу з протонів утворилися лише деякі найлегші ядра ([[дейтерій|дейтерію]], [[гелій|гелію]], [[літій|літію]]). <br/>Наразі ядерні реакції відбуваються у ядрах зір, наприклад, у [[Сонце|Сонці]]. Основним процесом є утворення ядра гелію з чотирьох протонів, що може відбуватися або в [[протон-протонний ланцюжок|протон-протонному ланцюжку]]<ref>[http://www.astronet.ru/db/msg/1190731 Водородный цикл]{{ref-ru}}</ref>, або в [[Цикл Бете|циклі Бете-Вайцзекера]]<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e181.htm  Цикл CNO]{{ref-ru}}</ref>.

У зорях, маса яких перевищує половину [[маса Сонця|M☉]], можуть утворюватися й інші, важчі елементи. Цей процес розпочинається з утворення ядер вуглецю у [[потрійна альфа-реакція|потрійній α-реакції]]. Утворені ядра взаємодіють із [[протон]]ами та [[альфа-частинка|α-частинками]] і, таким чином, утворюються хімічні елементи аж до залізного піка.

Утворення важчих ядер (від [[залізо|заліза]] до [[бісмут]]у) відбувається у оболонках досить масивних зір на стадії [[Червоні гіганти|червоного гіганта]] здебільшого завдяки [[s-процес]]у та, частково, завдяки [[p-процес]]у. Найважчі (нестабільні) ядра утворюються під час спалахів [[наднова|наднових]]<ref>[http://www.astronet.ru/db/msg/1171260 Звездный нуклеосинтез&nbsp;— источник происхождения химических элементов]{{ref-ru}}</ref>.

==== Можливість виникнення термоядерної реакції ====
{{Розділ без джерел}}
Можливість проведення ядерної реакції визначається співвідношенням між енергією, яка виділяється на випромінювання електромагнітних хвиль, і енергією ядерного розщеплення. Якщо це співвідношення менше одиниці, то ядерна реакція може розвиватися. Енергія, яка випромінюється за 1 секунду у сантиметрі кубічному дорівнює

: <math>U_{r}=\frac{16}{3}\frac{e^{2}}{\hbar c}(1+\mathfrak{S})(\frac{e^{2}}{mc^{2}})^{2}V_{e}N^{2}E,</math>

де <math>V_{e}</math>&nbsp;— швидкість електрона, <math>N</math>- концентрація електронів на один сантиметр кубічний, <math>E</math>&nbsp;— енергія електрона (разом із енергією спокою), <math>\mathfrak{S}</math>&nbsp;— випромінювання при зіткненні електронів, <math>\mathfrak{S}\cong 1</math> (у сумі відповідає зіткненню електрона із дейтроном).

Протон у 1836 разів важчий за електрон. Як наслідок, ядра рухаються значно повільніше, ніж електрони, які миттєво встигають підлаштуватися до будь-якої зміни координат ядер. Якщо ядро знаходиться у спокої, то воно отримує від електрона кінетичну енергію, яка дорівнює <math>e^{2}vb,</math> де <math>v</math>&nbsp;— швидкість електрона, <math>b</math>&nbsp;— відстань до найближчого зіткнення. За цього передається повна енергія, яка дорівнює

: <math>\int\frac{1}{2M}(e^{2}/vb)^{2}2\pi b\,db\cdot vn^{2},</math>

яка приводить до

: <math>\frac{4\pi}{M}\frac{e^{4}n^{2}}{v}\int\frac{1}{b}db.</math>

Правильне рішення дає для інтегралу значення 9. Верхня межа для <math>b</math> виводиться з екранування, яке викликається іншими електронами.

Енергія, яка отримується при ядерних розщепленнях на 1 секунду у кубічному сантиметрі дорівнює

: <math>U_{d}=\sqrt{2}\sigma_{c}V_{d}N^{2}\varepsilon,</math>

де <math>\varepsilon</math>&nbsp;— енергія, яка виділяється при 1 акті ядерної реакції, <math>\sigma_{c}</math>&nbsp;— перетин розщеплення, <math>V_{d}</math>&nbsp;— швидкість дейтрону.

: <math>\frac{U_{r}}{U_{d}}=\frac{1+\mathfrak{S}}{120x},</math>

де <math>x</math> пов'язане із <math>\sigma_{c}</math> співвідношенням:

: <math>\sigma_{c}=x\cdot 10^{-24}\text{см}^{2}.</math>Ця формула справедлива для енергій 0,5 МеВ.

Таке значення отримується при врахуванні розігріву дейтерію на фронті ядерної детонаційної хвилі (аналогічно до теорії Я.&nbsp;Б.&nbsp;Зельдовича про нагрівання газів у детонаційній хвилі) при повній енергії ядерної реакції 4 МеВ та її рівномірному розподілі між усіма частинками (2 дейтрони й 2 електрони).

Вважаючи <math>x=1/20</math><ref>{{Cite book|title=Cross Section for the Reaction H2 + H2 → H1 + H3 With a Gas Target, Phys.Rev.56,383,1939.|last=|first=|year=|publisher=|location=|pages=|language=|isbn=}}</ref>, отримуємо:

: <math>\frac{U_{r}}{U_{c}}=\frac{1+\mathfrak{S}}{6}.</math>

Детонаційна хвиля може розповсюджуватися по усьому дейтерієвому зарядові лише у тому випадку, якщо його розмір достатньо великий. Цей мінімальний розмір по порядку величини є рівним добутку швидкості звуку на час реакції. Остання визначається рівнянням

: <math>\tau=\frac{\Lambda}{V_{d}}=\frac{1}{\sqrt{2}N\sigma_{c}V_{d}}.</math>

Швидкість звуку <math>c\cong \frac{2}{3}V_{d}.</math> Критичний діаметр

: <math>d\cong c\cdot \tau\cong \frac{3}{2\sqrt{2}N\sigma_{c}}\cong\frac{1}{2}\text{метра}. </math>

Ця величина може бути меншою, якщо «заряд» перебуватиме у масивній оболонці, а також завдяки тому, що буде відбуватися альтернативна реакція <math>D(D,n)He^{3},</math> яка буде збільшувати енергію виділення й скорочувати час реакції.

Для термоядерної бомби краще за все підходять легкі ядра, оскільки кулонівський бар'єр для них є меншим і є меншою втрата енергії за рахунок електронів на радіацію. Тому наступні реакції є «найвигіднішими»:

<math>D+D\rightarrow\begin{cases}T+p+3,98\text{МеВ};\\ He^{3}+n+3,24\text{МеВ}.  \end{cases}</math>

Припускається, що у наступній реакції дейтерій має щільність (рідка фаза) <math>4,2\cdot 10^{22}\text{атм/см}^{3}.</math> Загальна енергія складає близько <math>10^{17}\text{ерг/см}^{3},</math> або <u>2,5 тони</u> тротилового еквіваленту на <u>сантиметр кубічний</u>.

Поперечний перетин для реакції <math>D(D,n)</math> є наступним
{| class="wikitable"
|+<math>10^{-24}\text{см}^{2}=</math> 1 барн
!<math>E,\,\text{кеВ}</math>
!<math>16</math>
!<math>20</math>
!<math>40</math>
!<math>120</math>
!<math>300</math>
|-
|<math>\sigma,\text{барн}</math>
|<math>0,00025</math>
|<math>0,0005</math>
|<math>0,0043</math>
|<math>0,02</math>
|<math>0,05</math>
|}
Поперечний перетин визначається за формулою

<math>\sigma=\frac{\mathrm{const}}{v^{2}}\exp(-\frac{2\pi}{137}\frac{c}{v}).</math>

Якщо електрон проходить біля ядра, швидкість переходу електронів до випромінювання на одиницю часу та на одиницю об'єму дорівнює

<math>-(\frac{dw}{dt})_{rad}=\frac{16}{3}\frac{e^{6}n^{2}Z^{3}v}{c^{3}\hbar m}=\frac{64}{3\sqrt{2\pi}}\frac{e^{6}Z^{3}}{mc^{3}\hbar}n^{2}\sqrt{\frac{kT}{m}},</math>

де <math>n</math>&nbsp;— щільність ядер, <math>Z</math>&nbsp;— атомний номер, <math>v</math>&nbsp;— швидкість електрона, <math>m</math>&nbsp;— маса електронів.

Для дейтронів

<math>-(\frac{dw}{dt})_{rad}=1,68\cdot 10^{-25}n^{2}\sqrt{\theta}\quad\text{ерг}/\text{см}^{3}/\text{сек}=2,97\cdot 10^{20}\sqrt{\theta}\quad\text{ерг}/\text{см}^{3}/\text{сек}, </math>

де <math>\theta</math>&nbsp;— температура у електронвольтах.

Швидкість утворення енергії: <math>(\frac{dw}{dt})=Rw,</math> де <math>w</math>&nbsp;— утворення енергії на зіткнення, <math>R=2,2\cdot 10^{-12}n^{2}\theta^{-2/3}e^{-187,8/\theta^{1/3}}\frac{1}{\text{см}^{3}\cdot c}</math>&nbsp;— швидкість зіткнення.

Якщо б була встановлена теплова рівновага між частинками й випромінюванням, нагрівання дейтерію до необхідної температури було б неможливим. Насправді теплової рівноваги немає.

=== Ядерні реакції розпаду ===
{{main|Радіоактивність}}

Реакціями розпаду зумовлена альфа- та бета-радіоактивність. При [[альфа-розпад]]і з ядра вилітає [[альфа-частинка]] <sup>4</sup>He, а масове число й зарядове числа ядра змінюються на 4 та 2 відповідно. При [[бета-розпад]]і 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 ===
{{Main|Поділ ядра}}
Невелика кількість ізотопів здатна до поділу&nbsp;— реакції при якій ядро ділиться на великі частини. Поділ ядра може відбуватися як ''спонтанно'', так і ''вимушено''&nbsp;— під дією інших частинок, здебільшого&nbsp;— нейтронів.

1939 року було виявлено, що ядра [[уран (хімічний елемент)|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 [[ланцюгова ядерна реакція|ланцюгової ядерної реакції]]. Така реакція не відбувається у природі лише тому, що природний уран на 99,3&nbsp;% складається з ізотопу [[Уран-238|урану-238]], а до реакції поділу здатен лише уран-235, якого у природному урані міститься лише 0,7&nbsp;%.

Механізм поділу ядра полягає в наступному: частинки у ядрі зазнають дії двох сил, притягання ([[сильна взаємодія]]) і відштовхування ([[електромагнітна взаємодія]]). Ядерні сили притягання є короткодійними, на відміну від далекодійних сил кулонівського відштовхування. Завдяки цьому, ядерні сили у ядрі є подібними до сил [[поверхневий натяг|поверхневого натягу]] у краплині води&nbsp;— на цій аналогії побудована [[краплинна модель ядра]]. Сили притягання переважають сили відштовхування, що утримує ядро у стабільному стані. Якщо ядро з якоїсь причини набуває асиметричної форми (стає [[еліпсоїд]]ом замість сфери), то воно буде коливатись подібно до краплини води у невагомості. Через короткодійність сил притягання, така деформація ядра впливає на них значно сильніше, ніж на електромагнітні сили, зміщуючи баланс сил в бік відштовхування. Якщо витягнутість еліпсоїда стане більшою за деяке критичне значення, кулонівські сили почнуть домінувати, розтягуючи ядро ще більше, надаючи йому спочатку гантелеподібної форми, а потім і розриваючи його на дві половини{{sfn | Ніцук | 2008 | с=112}}.

Ядро може бути переведене у асиметричний стан через зовнішнє збудження, наприклад, після зіткнення з нейтроном.

Без зовнішнього впливу ядро може перейти у такий стан завдяки [[Тунелювання|тунельному ефекту]], оскільки стан двох маленьких ядер є енергетично більш вигідним ніж одного великого.

== Ядерні реакції в житті людей ==

=== Атомна бомба ===
{{Main|Атомна бомба}}
Ланцюгову реакцію поділу атомних ядер у [[XX століття|ХХ столітті]] почали застосовувати в атомних бомбах. Через те, що для інтенсивної ядерної реакції потрібно мати [[критична маса|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&nbsp;— відбувається атомний вибух.

=== Ядерний реактор ===
{{Main|Ядерний реактор}}
Для перетворення теплової енергії розпаду ядер на електричну енергію використовують ядерний реактор.
Як пальне у реакторі застосовується суміш [[ізотоп]]ів 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]]&nbsp;— добре сповільнення, слабке поглинання, придатний для урану-238 як палива
* воду:
** «легка вода» H<sub>2</sub>O&nbsp;— дуже добре сповільнення, значне поглинання нейтронів, що негативно позначається на кількості вивільненої енергії
** [[важка вода]] D<sub>2</sub>O&nbsp;— дуже добре сповільнення, слабке поглинання нейтронів.
За типом води, що використовується у реакторах, D<sub>2</sub>O або H<sub>2</sub>O, реактори поділяються на ''[[Важководяний ядерний реактор|важководяні]]'' та ''[[Легководний реактор|легководяні]]'' відповідно. У важководяних реакторах як пальне використовується нуклід урану-238, у легководяних&nbsp;— уран-235.

Для керування реакцією розпаду та її припинення застосовують регулювальні стрижні, що містять ізотопи [[бор]]у або [[кадмій|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.

== Примітки ==
{{reflist}}

== Література ==
* {{cite book
|автор= Павлович В. М. 
|назва= Фізика ядерних реакторів
|дата=
|рік= 2009
|видавництво= НАН України. Інститут проблем безпеки АЕС
|знаходження= Чорнобиль
|isbn =  978-966-02-5204-2
}}
* {{книга
 |автор          = Ю.А. Ніцук
 |заголовок      = Ядерна фізика. Навчальний посібник для студентів фізичних факультетів університетів.
 |посилання      = http://phys.onu.edu.ua/pub/files/student/3course/2term/yader_physic.pdf
 |місце          = Одеса
 |видавництво    = Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова
 |рік            = 2008
 |сторінок       = 168
 |ref            = Ніцук
}}

== Посилання ==
* {{YouTube|qG6E3V_LiNo|Ядерні реакції|logo=1}}, канал [[Харківська астрономічна обсерваторія|НДІ астрономії Харківського університету]]

{{Ядерні реакції}}
{{ВП-портали|Фізика}}

[[Категорія:Ядерні реакції]]