3.3. Ядерні реакції

3.3.1. Природа ядерних реакцій. Поріг і механізм ядерних реакцій.

3.3.2. Реакції ділення. Ланцюгова реакція. Використання ядерної енергії.

3.3.3. Термоядерні реакції. Енергія зірок. Керований термоядерний синтез.

3.3.4. Ядерна зброя.

3.3.1. Природа ядерних реакцій. Поріг і механізм ядерних реакцій

Ядерні реакції – це штучне перетворення ядер одних хімічних елементів в ядра інших хімічних елементів під дією на ядра – мішені частинок-снарядів. Вперше ядерну реакцію здійснив у 1919 році Резерфорд, діючи -частинками з енергією біля 7.5 МеВ на ядра азоту :

(3.3.1.1)

Ядерні реакції відбуваються з виконанням законів збереження сумарного масового числа ( верхні індекси ) і сумарного електричного заряду ( нижні індекси ). При здійсненні ядерних реакцій виконуються також закон збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу тощо.

Ядерні реакції можуть бути ендотермічними ( з поглинанням енергії ) і екзотермічними ( з виділенням енергії ).

Найменша енергія частинки-снаряду при якій можлива ендотермічна ядерна реакція, називається енергетичним порогом ядерної реакції.

Екзотермічні реакції не мають енергетичного порога і можуть відбуватись при будь-яких значеннях енергії частинок-снарядів. Однак імовірність ядерних перетворень зростає з ростом енергії частинок -снарядів. В ядерній реакції, яку спостерігав Резерфорд у 1919 році, вперше виявлено вільні протони, які до цього часу ще не реєструвались. Ця ядерна реакція відбувається протягом дуже малого часу необхідного для пролітання нуклоном з швидкістю, близькою до швидкості світла, через ядро. Такі реакції називають прямими ядерними реакціями.

В 1930 році здійснена пряма ядерна реакція взаємодії - частинки з ядром берилію і утворенням вільних нейтронів. Нейтронне випромінювання мало досить велику проникну здатність через відсутність електричного заряду.

(3.3.1.2)

З відкриттям нейтронів (Чедвік, 1932р.) розпочалась ера різноманітних ядерних реакцій.

В основі переважної більшості ядерних реакцій є зіткнення частинок-снарядів ( до яких відносяться нейтрони, -частинки, протони, дейтрони ) з ядрами-мішенями. Частинка-снаряд повинна мати достатню енергію для подолання значного потенціального бар’єра кулонівських сил відштовхування ядра-мішені. Проникнувши в ядро-мішень частинка-снаряд застрягає в ньому, передаючи при цьому свою енергію значному числу нуклонів в радіусі дії ядерних сил. Якщо ядро-мішень, одержавши таку енергію, стає збудженим протягом часу то такі ядерні реакції відбуваються через складене або компаунд-ядро.

Складене, або компаунд-ядро через час переходить в нормальний стан, випромінюючи іншу частинку. Схематично ядерні перетворення через проміжне складене ядро виглядять так:

(3.3.1.3)

або

де вихідне ядро – мішень; а – частинка – снаряд;складене або компаунд-ядро; b – частинка, яка вилітає з ядра внаслідок реакції;ядро, яке є продуктом ядерної реакції.

Серед ядерних реакцій, які відбуваються через складене ядро слід відмітити ядерні реакції відриву і ядерні реакції захоплення.

При ядерних реакціях відриву частинки – снаряди (дейтрони) віддають ядру – мішені або один протон, або один нейтрон згідно з схемою:

(3.3.1.4)

При ядерних реакціях захоплення ядро – мішень поглинувши один протон, або один нейтрон випромінює дейтрон:

(3.3.1.5)

Прямі ядерні реакції, а також ті, які відбуваються через складене ядро, потребують досить великих енергій налітаючих частинок.

Якщо складене ядро переходить в нормальний стан через час значно більший то говорять, що в такому випадку відбувається штучна радіоактивність. Такою реакцією може бути така реакція:

Знайдемо тепловий ефект ядерної реакції, яка здійснюється за схемою Запишемо спочатку баланс енергій в цій ядерній реакції, враховуючи, що повна енергія ядер дорівнює енергії спокою і кінетичній енергії:

де індексами а і в позначені енергії відповідних частинок Е_А і Е_В; Е₁ – кінетична енергія ядра-мішені; Е₂ – кінетична енергія вихідного ядра.

Згрупуємо енергії спокою в лівій частині, а кінетичні енергії – в правій:

Зміна кінетичної енергії в реакції дорівнює абсолютному значенню зміни енергії спокою і називається тепловим ефектом ядерної реакції Q.

. (3.3.1.6)

У випадку, коли відповідні маси спокою взяті у а.о.м., тепловий ефект реакції Q дорівнює:

(3.3.1.7)