Ядерная, Термоядерная и Пикноядерная реакция

Привет, Вы узнаете о том , что такое ядерная реакция, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое ядерная реакция, термоядерная реакция, пикноядерная реакция , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Атомная и Ядерная физика.

ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 6.8.1.

Рисунок 6.8.1. Схема развития цепной реакции

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.

Критическая масса делящегося вещества

Условия протекания цепной ядерной реакции

Применение цепной ядерной реакции

атомное и ядерное оружие ракеты и бомбы

атомный транспорт

атомолет

атомовоз

атомный ледокол

подводная атомная лодка

атомные электростанции

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D₂O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 6.8.2.

Рисунок 6.8.2.

схема АЭС

Механизмы ядерной реакции

Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идет в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время, то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10⁻²³ — 10⁻²¹с. При этом составное ядро всегда образуется в возбужденном состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом и частицы в системе центра инерции.

Энергия возбуждения

Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии :

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра .

Каналы реакций

Переход в невозбужденное состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции. Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру, может образоваться как составное ядро в возбужденном состоянии в одной из следующих реакций:

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путем, обратным любой из этих реакций, с определенной вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени .

Прямые ядерные реакции

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полета продуктов реакции вперед относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия .

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчета (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10⁻²⁴ см².

Выход реакции

Число случаев реакции, отнесенное к числу бомбардировавших мишень частиц , называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции

Законы сохранения в ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа, лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, четности, странности) лишь подавляют определенные реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

Закон сохранения энергии

Если — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

При образовании более двух частиц соответственно число слагаемых в правой части этого выражения должно быть больше. Полная энергия E частицы равна сумме ее массы (в энергетическом эквиваленте) Mc² и кинетической энергии K, поэтому:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (K₃ + K₄) − (K₁ + K₂) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c² обычно опускают, при подсчете энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.

Легко заметить, что Q > 0 тогда, когда сумма масс частиц-продуктов меньше суммы масс исходных частиц, то есть выделение свободной энергии возможно только за счет снижения масс реагирующих частиц. И наоборот, если сумма масс вторичных частиц превышает сумму масс исходных, то такая реакция возможна только при условии затраты какого-то количества кинетической энергии на увеличение энергии покоя, то есть масс новых частиц. Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндоэнергетическая реакция, называется пороговой энергией реакции. Эндоэнергетические реакции называют также пороговыми реакциями, поскольку они не происходят при энергиях частиц ниже порога.

Закон сохранения импульса

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если , , , — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

Закон сохранения момента импульса

Момент количества движения также сохраняется при ядерных реакциях. В результате столкновения микрочастиц образуются только такие составные ядра, момент импульса которых равен одному из возможных значений момента, получающегося при сложении собственных механических моментов (спинов) частиц и момента их относительного движения (орбитального момента). Каналы распада составного ядра также могут быть лишь такими, чтобы сохранялся суммарный момент количества движения (сумма спинового и орбитального моментов).

Другие законы сохранения

• при ядерных реакциях сохраняется электрический заряд — алгебраическая сумма элементарных зарядов до реакции равна алгебраической сумме зарядов после реакции.
• при ядерных реакциях сохраняется число нуклонов, что в самых общих случаях интерпретируется как сохранение барионного числа. Если кинетические энергии сталкивающихся нуклонов очень высоки, то возможны реакции рождения нуклонных пар. Поскольку нуклонам и антинуклонам приписываются противоположные знаки, то при любых процессах алгебраическая сумма барионных чисел всегда остается неизменной.
• при ядерных реакциях сохраняется число лептонов (точнее, разность количества лептонов и количества антилептонов, см. Лептонное число).
• при ядерных реакциях, которые протекают под воздействием ядерных или электромагнитных сил, сохраняется четность волновой функции, описывающей состояние частиц до и после реакции. Четность волновой функции не сохраняется в превращениях, обусловленных слабыми взаимодействиями .
• при ядерных реакциях, обусловленных сильными взаимодействиями, сохраняется изотопический спин. Слабые и электромагнитные взаимодействия изоспин не сохраняют.

Виды ядерных реакций

Ядерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

Ядерная реакция деления

Ядерная реакция деления — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: легкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Однако следует отметить, что спонтанные процессы обычно не относятся к ядерным реакциям, поэтому ядерной реакцией является лишь вынужденное деление (при захвате нейтронов, фотоделение и т.п.) Деление тяжелых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Деление ядер урана

Реакции на альфа-частицах

Реакции на протонах

Реакции на нейтронах

Ядерная реакция синтеза: Нуклеосинтез

Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

• Если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своем пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1919, Э. Резерфорд), а также ускорителях заряженных частиц (впервые 1931, Р. Ван-де-Грааф) и установках наподобие фузора или реактора «Поливелл», в которых кинетическая энергия заряженным частицам придается электрическим полем. Таким путем были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы.

• Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.

Энергетический выход

термоядерная реакция

Термоядерная реакция — слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения.

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноименно положительно заряжены.

Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.

Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звездах.

Реакции синтеза между ядрами легких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

+ энергия (17,6 МэВ).

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более легкая частица . Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза .

Термоядерная реакция также используется в термоядерном оружии.

Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов. Такой распад ведет к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Другие

Пикноядерные реакции (от др.-греч. πυκνός — плотный) — реакции слияния ядер, происходящие в холодном веществе за счет нулевых колебаний ядер в кристаллической решетке, а не за счет преодоления барьера отталкивания между ядрами с помощью тепловой энергии движения, как в термоядерных реакциях. Четкое различение между этими типами реакций при ненулевой температуре невозможно, в качестве примерной границы перехода пикноядерных реакций в термоядерные используется температура Дебая кристаллической решетки.

Пикноядерные реакции идут в любых веществах и при любых температурах, однако в обычных условиях их скорость чрезвычайно мала. Существенными они становятся в случае очень плотного вещества, например, в вырожденном веществе белых карликов или в коре нейтронных звезд. Как считается, именно вызванные ростом массы при аккреции быстро разгоняющиеся в центре белых карликов пикноядерные, а затем термоядерные реакции служат спусковым механизмом взрывов сверхновых Ia типа.

На возможность таких реакций впервые обратил внимание, вероятно, У. Уайлдхек в 1940 году. Элементарный расчет скорости реакций, важный для астрофизических приложений, был проведен Я. Б. Зельдовичем в 1957 году, а затем уточнен и развит Э. Солпитером и X. ван Хорном в 1969 году. Тем не менее, оценки скоростей реакций в литературе до сих пор серьезно различаются, что связано с различными экстраполяциями ядерных сил на низкие энергии, а также с чувствительностью скорости к наличию дефектов кристаллической решетки.

Пикноядерные реакции - ядерные реакции, протекающие в достаточно плотном и холодном(вплоть до Т =0) кристаллическом веществе за счет нулевых колебаний реагирующих ядер в узлах кристаллической решетки.

Скорость Пикноядерных реакций не зависит от температуры, но зависит от плотности.

Для осуществления ядерной реакции прежде всего необходимо, чтобы реагирующие ядра квантово механического образом преодолели кулоновский барьер, обусловленный электростатическим отталкиванием ядер.

Основное отличие Пикноядерной реакции от термоядерных состоит в том, что в Пикноядерные реакции прохождение сквозь кулоновский барьер осуществляется за счет нулевых колебаний ядер, а в термоядерных - благодаря тепловому движению ядер. При высоких температура реакции идут как термоядерные, а при низких - как пикноядерные. Приближенно можно считать, что переход от одного режима к другому происходит при Дебая температуре кристаллические решетки где -характерная частота колебаний ядер в решетке. При Т амплитудаколебаний ядра вблизи узла решетки r где М - масса ядра. Скорость Пикноядерной реакции Q (количество реакций в единице объема вещества в единицу времени) можно оценить по формуле

Здесь п - концентрация ядер, R~ n^-1/3 - расстояние между соседними ядрами в узлах решетки, Р - коэф. прохождения сквозь кулоновский барьер,- сечение ядерной реакции, деленное на коэффициент прохождения сквозь барьерпри относит. энергии ядер - астрофиз. фактор, плавно зависящий от В земных условиях порядка нескольких сотых эВ,.~ 10^-8 см. Поэтому коэффициент прохождения сквозь барьер чрезвычайно мал, Пикноядерные реакции идут очень медленно и обычно не играют никакой роли.
Пикноядерные реакции могут быть важны в астрофизических условиях- в вырожденных ядрах белых карликов и оболочках нейтронных звезд, где плотность вещества может достигать 10⁸ - 10¹⁰ г/см ³ при Т<В этих условиях близка к плазменной частоте колебаний ядер решетки,где Ze - заряд ядра. Поэтому (R/r)² пропорциональнот. е. с ростом плотности вещества вероятность прохождения сквозь барьер растет и Пикноядерные реакции идут все более интенсивно. При этом растет и температура Дебая ( А- массовое число иона,в г/см ³), благодаря чему расширяется диапазон температу, где реакцииявляются пикноядерными.
Впервые на возможность осуществления Пикноядерных реакций в достаточно холодном и плотном звездном веществе указал, по-видимому, У. Уайлдхек в 1940 Простой и наглядный модельный расчет скорости Пикноядерные реакции выполнен Я. Б. Зельдовичем (1957) . Наиболее детальный расчет проделали Э. Солпитер и X. ван Хорн (1969) . Строгий расчет Q очень сложен из-за того, что преодолеваемый кулоновский барьер определяется не только реагирующими ядрами, но и соседними ядрами кристаллической решетки. Для показателя экспоненты в формуле (*), определяющего самую существенную величину - коэффициент прохождения сквозь барьер, расчеты дают где в г/см ³,- коэффициент, который при расчетах в различных приближениях оказывается равным 180- 200. Следует добавить, что скорости Пикноядерных реакций могут значительно возрастать при наличии большого числа дефектов кристаллической решетки.

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остается одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более легкие продукты реакции, вне — более тяжелые. Так, вышеприведенная реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провел Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы

где — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит как

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Акопланарность
• Атомная масса
• поражающие факторы ядерного взрыва , ядерный взрыв , неприемлемый ущерб , формула макнамара ,
• Атомное ядро
• Атомный номер
• CNO-цикл
• Цепная ядерная реакция
• Процесс Оппенгеймера – Филлипса
• Атомная энергия

Исследование, описанное в статье про ядерная реакция, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое ядерная реакция, термоядерная реакция, пикноядерная реакция и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Атомная и Ядерная физика