Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Ядерные реакции. Ядерная энергетика

Ядерная физика

Ядерные реакции

План урока

  • Ядерные реакции
  • Цепная реакция деления ядер урана
  • Термоядерная реакция

Цели урока

  • Знать, что такое ядерная реакция
  • Знать, как происходит цепная реакция деления ядер урана
  • Знать, что такое термоядерная реакция
  • Уметь находить выход ядерной реакции E

Разминка

  • Сформулируйте закон радиоактивного распада.
  • Что называют удельной энергией связи ядра?
  • Как меняется зарядовое число исходного элемента в результате альфа-распада?

Ядерные реакции

 

В предыдущих параграфах были рассмотрены самопроизвольные превращения одних атомных ядер в другие, происходящие за счет избытка энергии исходного изотопа.  Понятно, что существуют и превращения, вызванные внешними воздействиями. Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией. Первая ядерная реакция осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он наблюдал преобразование ядер азота N 714 в ядра кислорода O 817 под действием налетающих на них альфа-частиц (ядер гелия H 24e). 

 

N 714+H 24eO 817+H 11.

 

Как запустить ядерную реакцию? Для осуществления какой-либо ядерной реакции необходимо сблизить взаимодействующие частицы на очень малые расстояния (расстояния порядка радиуса ядра). Чаще всего ядерные реакции осуществляются путем бомбардировки ядер пучками предварительно ускоренных протонов, ионов или других изотопов. Рассмотрим, как результат ядерной реакции зависит от энергии налетающих частиц. Будем бомбардировать ядра атомов лития протонами. Протон, как и атомное ядро имеет положительный заряд, значит он будет отталкиваться от ядра при подлете к нему. Для сближения необходимо для начала ядерной реакции, необходимо совершить работу против сил кулоновского отталкивания. Если протон разогнать до необходимой скорости, то кинетической энергии будет достаточно для сближения протона с нуклонами. В зависимости от кинетической энергии протона, возможны две реакции с участием лития:

 

p 11+L 37i2H 24e;

 

p 11+L 37ip 11+H 24e+H 13.

 

При ядерных реакциях выполняется законы сохранения электрического заряда, импульса  и энергии. Заметим, что в реакциях выше сохраняется массовые и зарядовые числа до и после реакции. Данная математическая закономерность называется законом сохранения массового числа.


Закон сохранения массового числа

При любой ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число: сумма чисел протонов и нейтронов до реакции равна сумме чисел протонов и нейтронов после реакции.


Подсчитаем количество протонов и нейтронов до реакции N 714+H 24eO 817+H 11 и после:

 

14+418=17+118 7+29=8+19

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Выделяющаяся в ядерных реакциях энергия может не только быть сопоставима с энергетическими затратами на получение частиц с большой кинетической энергией, но и существенно превосходить эти затраты. Энергию, выделяющуюся при ядерной реакции, называют выходом ядерной реакции. . Используя закон взаимосвязи массы и энергии, энергетический выход E ядерной реакции можно определить, найдя дефект масс m частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции.

 

Цепная реакция деления ядер урана

 

Наибольший энергетической выход ядерной реакции наблюдается в реакциях, происходящих с участием нейтронов, так как из-за отсутствия кулоновских сил отталкивания нейтроны могут попасть внутрь атомного ядра, практически не обладая кинетической энергией.
Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных огромных количеством физиков, среди которых Э. Ферми - создатель первого в мире ядерного реактора, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части:

 

n 01+U 92235B 56141a+K 3692r+3n 01.

 

Вылетевшие нейтроны могут вызвать распад других ядер урана. В результате число распадов с течением времени может нарастать. Если это происходит, то такой процесс называют цепной ядерной реакцией.

Рис. 1. Рис. 1.

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты.
Объяснить деление атомного ядра, захватившего нейтрон, удаётся с помощью капельной модели ядра. Согласно этой модели, ядро рассматривают как каплю заряженной жидкости, в которой наряду с короткодействующими ядерными силами притяжения действуют кулоновские силы отталкивания. В исходном состоянии ядро урана имеет сферическую форму. После поглощения нейтрона в ядре возникают деформации, в результате которых ядро становится похожим на гантель. Растяжение происходит до тех пор, пока силы отталкивания между частями ядра не превысят силы притяжения, действующие в середине «гантели». После этого ядро разрывается на два осколка (см. рис. 1).

Рис. 2. Реакция деления ядер урана Рис. 2. Реакция деления ядер урана

Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана, можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования её в практических целях. Так появились ядерные реакторы.

 

 

Термоядерная реакция

 

Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжёлых ядер, но и в реакциях соединения лёгких атомных ядер. В настоящее время весь мир стремится создать термоядерный реактор, поэтому с энергетической точки зрения особый интерес представляют реакции синтеза - слияния легких ядер в более тяжелые. Основными термоядерными реакциями  являются реакции синтеза изотопа гелия из тяжелых изотоп водорода -  дейтерия и трития. Термоядерная реакция обусловлена тем, что удельная энергия связи в ядрах тяжелого изотопа может значительно превышать удельную энергию связи в более легких ядрах.


Для осуществления реакции синтеза необходимо сблизить ядра изотопов водорода на расстояния, при которых ядерные силы будут преобладать над силами кулоновского отталкивания. Поэтому, сближающиеся ядра должна обладать огромной кинетической энергией. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звёзд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.


Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 K, а для синтеза гелия из тяжелых изотоп водорода – дейтерия и трития – по схеме:

 

H 13+H 12H 24e+n 01

 

требуется нагревание примерно до 5 ∙ 107 K. При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2 ∙ 1011 Дж, что в 10 раз больше энергии, выделяющейся при сжигании 1 тонны дизельного топлива.


Термоядерная реакция - это реакция слияния (синтеза) легких ядер в более тяжелые, происходящие при очень высоких температурах.


Пример 1

 

Определите выход E термоядерной реакции получения изотопа гелия из ядер дейтерия и трития:

 

H 13+H 12H 24e+n 01.


Решение
 

1. Проверим закон сохранения массового числа. Подсчитаем количество протонов и нейтронов до реакции H 13+H 12H 24e+n 01 и после:

 

3+25=4+151+12=2+02
 

2. Рассчитаем дефект масс при этой реакции: 

 

m=mH 13+mH 12-mH 24e-mn 01.
 

Подставляя в это уравнение значения масс участвующих в реакции ядер и нейтрона, получим 

 

m=2,01355+3,01550-4,00151-1,00866=0,01888 а.е.м.
 

3. Найдем выход E, учитывая 1 а.е.м.·c2931,5 МэВ

 

E=m·c20,01888·931,517,6 МэВ.

 

Ответ: E17,6 МэВ.


Упражнение 1

 

1. Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях: 

 

A 1327l+n 01?+H 24e;

 

?+H 11N 1122a+H 24e;

 

M 2555n+?F 2655e+n 01;

 

A 1327l+γM 1226g+?
 

2. Оцените выход ядерной реакции H 12+H 12H 24e?


Контрольные вопросы

 

1. Что называют ядерной реакцией?
2. Как выглядит закон сохранения массового числа?
3. Опишите процесс деления ядер урана.
4. Опишите капельную модель ядра.
5. Что называют термоядерной реакцией?


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. N 1122aM 1225gH 11H 11.


Следующий урок
Ядерные силы. Энергия связи атомного ядра
Ядерная физика
  • Переменный ток. Источник переменного тока

    Физика

  • Литература периода Великой Отечественной войны. К.М. Симонов. А.Т. Твардовский. «Василий Тёркин»

    Литература

  • Акмеизм. Н.С. Гумилев. Лирика

    Литература

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке