Конспект урока: Ядерные реакции. Ядерная энергетика

Ядерные реакции

В предыдущих параграфах были рассмотрены самопроизвольные превращения одних атомных ядер в другие, происходящие за счёт 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$\hspace{0.17em}{}_7{}^{14}N$ в ядра кислорода ${}_8{}^{17}O$ под действием налетающих на них альфа-частиц (ядер гелия ${}_2{}^{4}He$). 

${}_7{}^{14}N+{}_2{}^{4}He\to {}_8{}^{17}O+{}_1{}^{1}H$

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 путём 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 подлёте к нему. 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:

${}_1{}^{1}p+{}_3{}^{7}Li\to 2{}_2{}^{4}He$;

${}_1{}^{1}p+{}_3{}^{7}Li\to {}_1{}^{1}p+{}_2{}^{4}He+{}_1{}^{3}H$.

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

Подсчитаем количество протонов и нейтронов до реакции ${}_7{}^{14}N+{}_2{}^{4}He\to {}_8{}^{17}O+{}_1{}^{1}H$ и после:

$\left\{\begin{array}{l}\underset{18}{\underbrace{14+4}}=\underset{18}{\underbrace{17+1}}\\ \underset{9}{ \underbrace{7+2}}=\underset{9}{\underbrace{8+1}}\end{array}\right.$.

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:

${}_0{}^{1}n+{}_{92}{}^{235}U\to {}_{56}{}^{141}Ba+{}_{36}{}^{92}Kr+3{}_0{}^{1}n$.

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.

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 заряжённой 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

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 лёгких ядер в более тяжёлые. Основными термоядерными реакциями являются реакции синтеза изотопа гелия из тяжёлых изотопов водорода —  дейтерия и трития. Термоядерная реакция обусловлена тем, что удельная энергия связи в ядрах тяжёлого изотопа может значительно превышать удельную энергию связи в более лёгких 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 должны 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 лёгкого изотопа водорода происходит при температуре около 
10⁸ K, а для синтеза гелия из тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития — по схеме

${}_1{}^{3}H+{}_1{}^{2}H\to {}_2{}^{4}He+{}_0{}^{1}n$

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.