Ядерные реакции искусственная радиоактивность реферат

Спустя 38 лет после открытия Беккереля французские учёные Фредерик
и Ирен Жолио-Кюри провели один очень интересный опыт. Они поместили в близи
источника быстрых альфа-частиц алюминиевую фольгу и подвергли её облучению в
течение нескольких минут. Затем они удалили источник и поднесли к фольге
счётчик Гейгера. Какого же было удивление учёных, когда они обнаружили, что
алюминиевая фольга стала радиоактивной: она испускали позитроны в течение
некоторого времени.

Дальнейшие исследования показали, что при облучении, ядра алюминия
захватывают альфа-частицы и превращаются в ядра изотопа фосфора-тридцать с
испусканием нейтрона:

Полученный искусственно изотоп фосфора радиоактивен. Поэтому он
в течение очень короткого промежутка времени самопроизвольно испускает позитрон
и превращается в стабильный изотоп кремния-тридцать:

Так было открыто явление искусственной радиоактивности, за
которое супруги Жолио-Кюри в 1935 году были удостоены Нобелевской премии по химии.

Искусственная радиоактивность — это распад
изотопов, полученных искусственным путём (то есть в результате ядерных
реакций).

Ядерными реакциями мы с вами будем называть превращение
атомных ядер при их взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят лишь тогда, когда частицы
приближаются друг к другу настолько, что попадают в зону действия ядерных сил.

Сразу обратим ваше внимание на то, что в любой ядерной
реакции выполняются законы сохранения энергии и импульса.
При этом, что
важно, сумма зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную
реакцию, равна сумме зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, получающихся в
результате реакции.

Действие законов сохранения ограничивает возможные варианты
ядерных реакций и позволяет предсказать возможные пути (механизмы) ядерных
превращений.

Чаще всего символически ядерные реакции записываются, как:

А + а
В +
b,

где А — это исходное ядро, а — бомбардирующая
частица. Соответственно, В — это конечное ядро, а b — испускаемая
частица.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно
заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией,
достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Например, в исторически
первой ядерной реакцией, в результате которой в 1919 году Эрнестом Резерфордом
был открыт протон, лишь одна из примерно 50 000 альфа-частиц захватывалась
ядром азота с последующим испусканием протона:

Поэтому для осуществления таких ядерных реакций необходимо
заряженным частицам сообщать достаточно большую кинетическую энергию, например,
в ускорителях.  В них заряженные частицы разгоняются электрическим полем,
двигаясь по замкнутым орбитам или спирали, где они удерживаются с помощью
магнитного поля. В современных ускорителях заряженные частицы или ядра атомов
разгоняются от десятков мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена
в 1932 году. В ней удалось расщепить ядро лития-7 на две альфа-частицы:

Открытие нейтрона дало новый импульс в исследовании ядерных
реакций. Поскольку у нейтронов нет электрического заряда, то они могут
беспрепятственно проникать в атомные ядра и вызывать их изменение. Например,
если нейтрон влетит в ядро алюминия, то образуется изотоп натрия и альфа-частица:

Великий итальянский физик Энрико Ферми первым начал изучать
реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения
вызываются не только быстрыми нейтронами (с энергией в несколько мегаэлектронвольт),
но и медленными (десятые доли электронвольта). Причём медленные нейтроны во
многих случаях более эффективны, чем быстрые, так как они более вероятно
вступают в реакции с данной мишенью.

Как вы могли заметить, в большинстве ядерных реакций, которые
называют прямыми ядерными взаимодействиями, участвуют два ядра и две
частицы. Первая пара «ядро — частица» называется исходной, а вторая — конечной:

А + а
В +
b.

В таких реакциях энергия, вносимая в ядро, передаётся преимущественно
одному или небольшой группе нуклонов. Такой механизм реакции является основным
при больших энергиях бомбардирующих частиц.

При малых энергиях бомбардирующих частиц наряду с прямыми
ядерными реакциями в соответствии с представлениями, развитыми Нильсом Бором,
осуществляются также реакции, происходящие в два этапа, с образованием составного
ядра
:

Х + а
С*
Y + b.

На первом этапе ядро поглощает (то есть захватывает) частицу
и образуется составное ядро в возбуждённом состоянии. Энергия поглощённой
частицы распределяется между всеми нуклонами составного ядра, причём энергия,
приходящаяся на каждый нуклон, меньше удельной энергии связи. На втором этапе
вследствие обмена энергией между нуклонами на одном или нескольких из них может
сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления ядерных сил и вылета из
составного ядра. В результате составное ядро превращается в конечное с
испусканием частицы или гамма-кванта и высвобождением избытка энергии.

Особый тип ядерных реакций представляют реакции деления
элементов, расположенных в конце Периодической системы химических элементов. В
результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит?
Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов.

Итак, для тяжёлых ядер, например таких, как уран-235,
удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ.
Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов
Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на
нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжёлого ядра на два три более лёгких
осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину
порядка одного мегаэлектронвольта. А исходя из закона сохранения энергии, такое
же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной
реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна
выделяться энергия.

Напомним, что ядерная реакция, сопровождающаяся выделением
энергии, называется экзотермической. Если же наоборот, ядерная реакция
происходит за счёт поглощения энергии, то её называют эндотермической.

Процессы, происходящие при ядерных реакциях, очень сложны, но
их энергетический выход вычислить довольно просто благодаря великой формуле
Эйнштейна. Для этого необходимо знать только массы всех компонентов ядерной
реакции:

Интересно, что распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы долгое
время считался невозможным (вплоть до 1938 года). В этом году немецкие учёные
Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске трансурановых элементов (элементов,
расположенных за ураном в таблице Менделеева) облучали уран нейтронами и в
продуктах реакции нашли следы бария. 17 декабря 1938 года они провели решающий
опыт, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь
на более лёгкие элементы.

В 1939 году австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник
Отто Роберт Фриш дали верную интерпретацию это явления. По мнению учёных, при
попадании нейтрона в тяжёлое ядро урана происходит деление последнего на две
примерно равные части. Поскольку в дочерних относительно лёгких ядрах
оказывается избыток нейтронов, то вероятен ещё и вылет нескольких нейтронов.

Фриш незамедлительно сообщил об открытии Нильсу Бору, который
на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года
сообщил об открытии деления урана. Интересно, что многие физики, принимавшие
участие в этой конференции, не дожидаясь конца доклада, один за другим стали
покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях. Так было
открыто расщепление ядра.

В том же году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс Халбан и Лев
Николаевич Коварский показали, что действительно при делении одного ядра урана
на два осколка освобождается два или три нейтрона и выделяется около 200 МэВ
энергии.

Чтобы понять, почему ядро урана под действием нейтрона
начинает делиться, представим его себе в виде капли заряженной жидкости (капельная
модель ядра
). Согласно этой модели, нейтрон при поглощении ядром передаёт
ему дополнительную энергию, которая распределяется между всеми входящими в
состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в
возбуждённом состоянии. Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания и ядро
приобретает удлинённую форму типа гантели. И как только крайние части ядра во
время колебаний отдаляются на расстояние, где ядерные силы уменьшаются, тогда
ядро и разделяется на два осколка, испуская при этом два — три нейтрона.

А теперь представим, что у нас есть некоторое количество ядер
урана-двести тридцать пять. Образовавшиеся в результате первого деления
нейтроны смогут разделить новые ядра урана образовав новые нейтроны. Так, при
определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может
принять характер цепной реакции.

Ядерная реакция деления, в которой частицы, вызывающие
реакцию, образуются как продукты этой же реакции, называется цепной.

Интересно, что первым, кто заметил, что процесс ядерного
деления может породить цепную реакцию и привести к большим выбросам энергии,
была Лиза Мейтнер.  Её заявление вызвало сенсацию в научной среде. Но знания,
при помощи которых можно было создать оружие невероятной силы, могли оказаться
в немецких руках. Американские учёные убедили Альберта Эйнштейна написать
предупреждающее письмо президенту США Франклину Рузвельту, после чего был
создан проект «Манхэттен» по разработке ядерного оружия. Будучи по убеждениям пацифисткой,
Мейтнер отказалась работать в этом проекте, заявив: «Я не буду делать бомбу!»
Но было поздно — бомбу смогли сделать и без неё.

Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена
Энрико Ферми в США в 1942 году. А в СССР первая цепная реакция была
осуществлена Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 году.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется
коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов равен отношению числа нейтронов
в теле в данном поколении цепной реакции к их числу в следующем поколении:

Цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, если
количество нейтронов в каждом следующем поколении не уменьшается (то есть
коэффициент размножения нейтронов будет равен единице). Если же коэффициент
размножения нейтронов будет меньше единицы, то реакция будет затухающей, если
же больше единицы — то скорость реакции нарастает со временем, что может
привести к ядерному взрыву.

Новый
период в развитии ядерной физики начался
фундаментальными открытиями. 15 января
1934г. на заседании Парижской академии
наук Ф.Жолио – Кюри и Ирен Кюри сообщили
об открытии ими нового вида радиоактивности.
«Нам удалось доказать методом камеры
Вильсона, сообщили они, – что некоторые
легкие элементы (бериллий, бор, алюминий)
испускают положительные электроны при
бомбардировке их

– частицами полония»:

(7)

Изотоп
фосфора

является радиоактивным. Он обладает
периодом полураспада 2,5 мин и испускает
положительный электрон (позитрон):

(8)

Шведская
академия наук оценила принципиальную
важность открытия супругов Жолио – Кюри
и присудила им в 1935г. Нобелевскую премию.

Искусственная
радиоактивность

– распад изотопов, полученных искусственным
путем.

Принципиальной
разницы между искусственной и естественной
радиоактивностью не существует, так
как свойства изотопа не зависят от
способа его образования в изотоп,
полученный искусственным путем, ничем
не отличается от такого же природного
изотопа. Искусственная радиоактивность
связана с нарушением стабильности
атомного ядра.

Стабильными
являются ядра элементов, у которых число
протонов равно числу нейтронов
.

В
промышленном масштабе искусственно –
радиоактивные изотопы получают путем
облучения (главным образом нейтронного)
соответствующих химических элементов
в ядерном реакторе.

К
настоящему времени получено по несколько
изотопов для каждого химического
элемента; их общее число более 1500. Многие
из них используются в качестве меченых
атомов в различных отраслях человеческой
деятельности.

С
помощью искусственно – радиоактивных
изотопов

исследуются
процессы сельскохозяйственных растений
и животных, миграция насекомых, фотосинтез,
передвижение грунтовых вод, проводится
радиоактивное облучение семян, ведется
борьба с вредителями сельскохозяйственных
растений и т.п.

Вопрос 3. Реакция деления. Ценная реакция

Деление
ядер урана было открыто в 1938 – 1939гг.
немецкими физиками О. Ганом и Ф.
Штрассманом. Их статья в журнале
«Naturwissenschaften»
в январе 1939г. под заглавием «О доказательстве
возникновения щелочноземельных металлов
при облучении урана нейтронами и их
свойствах» позволила установить, что
при
бомбардировке урана нейтронами возникают
элементы средней части

Периодической системы: барий, криптон
и другие. Австрийский физик Лизе Мейтнер,
эмигрировавшая в Швецию после захвата
Австрии Гитлером, с приехавшим к ней на
рождественские каникулы племянником
Отто Фришем, работавшим в Копенгагене
у Н.Бора, во время лыжной прогулки решили
задачу: ядро
урана делится на осколки, приобретающие
под действием электростатического
отталкивания энергию около 200 МэВ,

что как раз составляло энергию, связанную
с дефектом массы.

16
января 1939г. О.Фриш и Л.Мейтнер опубликовали
статью, в которой, в частности, был
впервые употреблен термин «деление»,
подсказанный О.Фришу американским
биологом Арнольдом. 26 января 1939г. в
Вашингтоне на конференции по теоретической
физике Н.Бор сообщил об открытии и
деления урана. Образующиеся при делении
ядер U новые ядра стали называться
осколками деления. Например, реакция
деления ядра урана – 235:

(8)

Процесс
деления ядер протекает очень быстро

с.
Как уже указывалось выше, энергия за
один акт деления урана – 235 составляет

МэВ.

В
общем случае реакцию деления ядра урана
– 235 можно записать в виде:

(9)

Объяснить
механизм реакции деления можно в рамках
гидродинамической модели ядра
.
Согласно нее при поглощении нейтрона
ядром урана (рис.1) оно переходит в
возбужденное состояние.

Избыточная
энергия
,
которую получает ядро вследствие
поглощения нейтрона
,
вызывает более интенсивное движение
нуклонов. В результате ядро
деформируется

(рис.2), что приводит к ослаблению
короткодействующего ядерного
взаимодействия, и приобретает
гантелеобразную
форму

(рис.3).

рис.2
рис.3

Если
энергия
возбуждения

ядра больше
некоторой энергии, называемой энергией
активации
,
то под влиянием электростатического
отталкивания протонов ядро расщепляется
на две части (рис.4) с испусканием нейтронов
деления
.

рис.4

Если
энергия
возбуждения

при поглощении нейтрона меньше
энергии активации
,
то ядро не доходит до критической стадии
деления и, испустив

– квант, возвращается в основное состояние.

Если
учесть, что энергия нейтрона, вызывающая
деление ядра (т.е. затрачиваемая энергия),
не превышает (
)
МэВ, а обычно бывает значительно меньшей,
то окажется, что ядерно
делящиеся материалы

могут служить источником колоссальных
энергий
.

Например,
энергия, освобождающаяся при делении
всех ядер, содержащихся в 1кг урана –
235, равна

.
Такая энергия выделяется при сгорании

кг бензина, или

кг каменного угля, или при
взрыве

кг тротила.

Однако
следует иметь в виду, что для выделения
больших количеств ядерной энергии
необходимо, чтобы делению подвергалась
значительная
часть ядер
,
содержащихся в массе «ядерного
горючего».

Поэтому реакция деления должна быть
саморазвивающейся
или
цепной.

Цепная
реакция – ядерная реакция, в которой
частицы, вызывающие реакцию, образуются
как продукты этой реакции.

Впервые
Н.Бор теоретически доказал, а затем было
экспериментально подтверждено, что
деление ядер урана обязано именно
изотопу

,
который в естественном уране составляет
всего 1/140 долю от более распространенного

.
При этом деление вызывают медленные
нейтроны (рис.5).

рис.5

Оказалось,
что ядра урана

тоже могут делиться, но для этого нужны
быстрые нейтроны, обладающие энергией
более 1,1МэВ, иначе энергия возбуждения
образовавшихся ядер

,
оказывается недостаточной для деления,
и тогда вместо деления происходят
ядерные реакции:

(10)

т.е.
проходит

– распад (электронный). Изотоп урана –
239 радиоактивен, период полураспада 23
мин. Изотоп нептуния – 239 также
радиоактивен, период полураспада около
2 дней:

(11)

также
происходит

– распад. Изотоп

– относительно стабилен, период
полураспада плутония – 239 ~24000 лет. С
помощью плутония – 239 также может быть
осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная
выше схема деления ядер урана (схема
цепной реакции) – идеальный случай. В
реальных условиях не все образующиеся
при делении нейтроны участвуют в делении
других ядер. Часть их захватывают
неделящиеся ядра посторонних атомов,
другие вылетают из куска урана наружу
(утечка нейтронов).

Поэтому
цепная реакция деления тяжелых ядер
возникает не всегда и не во всяком куске
урана.

Развитие
цепной реакции характеризуется
коэффициентом
размножения нейтронов – К
.

Коэффициент
размножения нейтронов измеряется
отношением числа нейтронов, вызывающих
деление ядер вещества на одном из этапов
реакции, к числу нейтронов, вызвавших
деление на предыдущем этапе реакции:

(12)

Например,
цепной реакции ядер урана – 235 соответствует
коэффициент размножения нейтронов

.

Коэффициент
размножения зависит от ряда факторов,
в частности от природы и количества
делящегося вещества и от геометрической
формы занимаемого им объема. Одно и то
же количество данного вещества имеет
наибольшие значение К при шарообразной
форме объема, поскольку в этом случае
потеря мгновенных нейтронов через
поверхность будет наименьшей.

Масса
делящегося вещества, в котором цепная
реакция идет с К=1, называется критической
массой
.

Значение
критической массы определяется геометрией
физической системы, ее структурой и
внешним окружением. Например, для
охлаждения активной зоны; системы
регулирования цепной реакции и
радиоактивной защиты.

Мощность
ядерного реактора 1 МэВ соответствует
цепной реакции, в которой происходит
3-1016 актов деления за 1с. Для характеристики
цепной реакции используется понятие
коэффициент
размножение нейтронов – К (рассмотрено
выше).

Состояние ядерного реактора определяет
с помощью понятия реактивности

р
:

(13)

При
К=1, р=0 – реактор находится в критическом
состоянии
,
протекает стационарный процесс и
количество делений ядер в среднем
постоянно во времени; При К>1, р>0 –
реактор находится в надкритическом
состоянии
;
Если К<1, то реакция затухает, а ядерный
реактор подкритичен,
р<0.

Как
правило, ядерный реактор работает на
природном уране – 238, предварительно
обогащенном ураном – 235 до 5% (99,3% уран –
238 и 0,7% уран – 235). Уран вводится в реактор
в виде стержней.

На
рис.6 изображена упрощенная схема
устройства уран-графитового
реактора
,
испускаемого на атомных электростанциях.

рис.6

А
– активная зона реактора;

В
– отражатель нейтронов;

С
– биологическая защита;

1
– ТВЭЛЫ;

2
– графит (замедлитель);

3
– управляющий стержень;

4
– аварийный стержень.

ТВЭЛЫ
– металлические пеналы, содержащие
уран – 235.

Осколки
урановых ядер
,
образующиеся в процессе цепной реакции,
затормаживаются
замедлителем,

отдавая ему свою кинетическую энергию.

Поэтому
температура в активной зоне реактора
повышается до (800 – 900)К. Теплоноситель
отводит теплоту из активной зоны реактора
и превращается в механическую, а затем
в электрическую энергию.

Наряду
с выделением энергии в ядерном реакторе
происходит образование и накопление
нового ядерного топлива – плутония –
239 по следующей схеме:

(14)

где

Плутоний
– 239 является хорошим ядерным топливом
,
он радиоактивен, так как испускает

– лучи. Его период полураспада

лет, благодаря
чему плутоний можно накапливать в
больших количествах.

Поскольку
ядерный реактор – мощный источник
нейтронных потоков и радиоактивных
излучений, то он может использоваться
для изготовления
искусственно – радиоактивных изотопов
.
Вещества, которые надо подвергнуть
облучению, помещаются в специальные
каналы, проделанные в защитном корпусе
реактора, сферы чистого урана – 235
критическая масса равна 47кг, а это шар
диаметром 17см.

При
К=1 число делящихся ядер поддерживается
на постоянном уровне. Такой режим
характерен для ядерных реакторов. Если
масса ядерного горючего меньше критической
массы, то К<1 и реакция деления затухнет.
Если К>1, то цепная реакция бурно
развивается, что может привести к взрыву.
Такая реакция имеет место в атомной
бомбе. Атомная бомба была создана группой
ученых из разных стран мира, работавших
в Лос-Анджелесе (США) под руководством
Р.Оппенгеймера. Испытание было впервые
произведено 16 июля 1945 г. В штате
Нью-Мексико.

В
атомную бомбу заложена масса делящегося
вещества, например актиноурана,
превышающая критическую, но разделенная
на несколько частей, каждая из которых
меньше критической. Бомба взрывается
после того, как эти части быстро сближаются
и объединяются посредством взрыва
обычного взрывчатого вещества.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции

Первое в истории человечества искусственное превращение ядер было осуществлено Резерфордом в 1919 году. Это важное открытие произошло уже не по чистой случайности.

Было известно, что ядра достаточно устойчивы: ни высокие температуры, ни давление, ни электромагнитные поля не вызывают их разрушения, поэтому Резерфорд решил применить для этого очень большую энергию. Носителями достаточно большого количества энергии, из известных на тот момент, были альфа-частицы, которые выделялись из ядер при радиоактивном распаде.

Первым Резерфорд подверг искусственному преобразованию ядро атома азота 7. Физик бомбардировал азот альфа-частицами с большой энергией, которые испускал радий, вследствие чего было обнаружено появление протонов — ядер атома водорода.

Искусственная радиоактивность — это возникновение радиоактивных ядер в результате захвата частиц устойчивым ядром нерадиоактивных элементов или в результате слияния или распада ядер.

Первые опыты проводились при помощи метода сцинтилляции, позволяющего регистрировать протоны, однако результаты этих экспериментов не отличались убедительностью и надёжностью.

Через несколько лет искусственные превращения азота получилось наблюдать в камере Вильсона. Около одной альфа-частицы на каждые 50000 альфа-частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере, поглощается ядром азота, в результате чего происходит испускание протона. В ходе этой реакции ядро азота превращается в ядро изотопа кислорода:

На рисунке представлена одна из фотографий этого процесса. Слева можно увидеть характерную «вилку» – разветвление трека. Жирный след обозначает ядро кислорода, а тонкий – протон. Треки остальных альфа-частиц прямолинейны, ведь они не претерпевают столкновений с ядрами.

После другие исследователи обнаружили превращения под влиянием альфа-частиц ядер фтора, натрия, алюминия и др., сопровождающиеся испусканием протонов. С ядрами тяжёлых элементов, которые находятся в конце периодической системы, не наблюдалось подобных процессов. Понятно, что альфа-частица не могла приблизиться к ядру вплотную, ведь электрический (положительный) заряд ядра слишком большой.

Открытие нейтрона

В 1932 году ученик Резерфорда, английский физик Д. Чедвик, открыл нейтрон, это событие стало важнейшим для всей ядерной физики. Учёный наблюдал за бомбардировкой бериллия альфа-частицами, в ходе которой протоны не появлялись. Так он обнаружил какое-то сильное проникающее излучение, которое было способно преодолеть особенно стойкую преграду, например, свинцовую пластину толщиной 10 — 20 см. Предполагалось, что это гамма-лучи большой энергии.

Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и её муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что ионизирующая способность излучения, образующегося при бомбардировке бериллия альфа-частицами, сильно увеличивается, если на его пути поставить парафиновую пластину. Учёные сделали вывод, что излучение выбивает из парафиновой пластины имеющиеся в большом количестве в подобном водородсодержащем веществе протоны. При помощи камеры Вильсона:

У супругов Жолио-Кюри получилось обнаружить эти протоны, а также оценить их энергию по длине пробега. Полученные ими данные гласили, что если протоны ускорялись в результате столкновения с гамма-квантами, то показатель энергии этих квантов должен быть огромным — около 55 МэВ.

Чедвик обнаружил в камере Вильсона треки ядер азота, которые столкнулись с бериллиевым излучением. Учёный изучил обнаруженную энергию гамма-квантов, способных сообщать ядрам азота скорость во время этих наблюдений, и заключил, что она должна была составлять 90 МэВ. Однако такие же наблюдения в камере Вильсона показали, что энергия представленных гипотетических гамма-квантов должна составлять 150 МэВ. Следовательно, учёные пришли к явному противоречию: одни и те же гамма-кванты обладали различной энергией при учёте, что ядра приходят в движение в результате столкновения с безмассовыми частицами.

Стало ясно, что предположение об излучении бериллием гамма-квантов (безмассовых частиц) оказалось ошибочным. Частицы, вылетающие из бериллия под действием альфа-частиц, достаточно тяжёлые. Такой вывод напрашивается, так как только во время столкновения с тяжёлыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась на опыте. Эти частицы были электрически нейтральными, ведь они обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ. Быстрая потеря заряженной частицей своей энергии понятна, потому что она сильно взаимодействует с веществом.

Учёные установили, что при попадании альфа-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Таким образом стала известна одна из основных частиц, составляющих ядро, — нейтрон.

Ядерные реакции

Нам уже известно, что при взаимодействиях атомные ядра испытывают превращения, которые сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.

Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Выше приведён процесс превращения бериллия в углерод, что является примером ядерной реакции.

Происходят ядерные реакции в ходе приближения частицы к ядру и её попадания в сферу действия ядерных сил. Частицы, заряженные одноименно, отталкиваются друг от друга. Следовательно, сближение заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) произойдёт лишь при условии, что этим частицам (или ядрам) будет сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Подобная энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, альфа-частицам и другим более тяжёлым ядрам при помощи ускорителей.

Эффективность применения такого метода для осуществления ядерных реакций гораздо выше, чем у использования ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых, для передачи энергии порядка 105 МэВ (гораздо больше той, которую имеют альфа-частицы (максимально 9 М эВ)), применяются ускорители. Во-вторых, есть вариант использовать протоны, которые не появляются в процессе радиоактивного распада (это целесообразно, ведь заряд протонов вдвое меньше заряда альфа-частиц, и, следовательно, действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, возможно увеличить скорость более тяжёлых, чем ядра гелия, ядер.

В 1932 году осуществилась первая ядерная реакция на быстрых протонах, в ходе которой получилось расщепить литий на две альфа-частицы:

На фотографии треков видно, что, согласно закону сохранения импульса (импульс протона намного меньше импульса возникающих альфа-частиц; фотография не демонстрирует треки протонов) ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой.

Энергетический выход ядерных реакций

Наблюдения за описанной выше ядерной реакцией показали, что показатель кинетической энергии двух образующихся ядер гелия больше показателя кинетической энергии вступившего в реакцию протона на 7,3 МэВ. В ходе превращения ядер происходит изменение их внутренней энергии (энергия связи). В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядре лития меньше удельной энергии связи в ядрах гелия. Из-за этого фактора часть внутренней энергии ядра лития преобразовывается в кинетическую энергию разлетающихся альфа-частиц.

Суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остаётся неизменной из-за систематичных изменений энергии связи ядер. Это логично, ведь энергия покоя ядра непосредственно выражается через энергию связи. Изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц из-за работы закона сохранения энергии.

Энергетический выход ядерной реакции – это разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции и разность кинетических энергий участвующих в реакции частиц.

Энергия будет выделяться, если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции. При обратных условиях энергия будет поглощаться, что отображается при бомбардировке азота альфа-частицами: в ходе этой реакции часть кинетической энергии (примерно 1,2 * 106 эВ) переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра.

Показатели выделяющиеся при ядерных реакциях энергии могут достигать больших значений. Однако эту энергию практически запрещено использовать в случае столкновения ускоренных частиц (или ядер) с неподвижными ядрами мишени, потому что большинство ускоренных частиц пролетает мимо ядер мишени, не вызывая реакцию.

Ядерные реакции на нейтронах

Поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций стало открытие нейтрона, потому что именно эта частица не имеет заряд и беспрепятственно проникает в атомные ядра и вызывает их изменения. Проиллюстрировать это может следующая реакция:

Первым реакции с участием нейтронов стал изучать великий итальянский физик Энрико Ферми. Именно Ферми зафиксировал, что ядерные превращения происходят под действием не только быстрых, но и медленных нейтронов. Также чаще всего большую эффективность приносят именно медленные нейтроны, а не быстрые. Поэтому в будущем было решено предварительно замедлять быстрые нейтроны. Процесс замедления нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде, что объясняется содержанием в воде большого числа ядер водорода (протонов), масса которых приблизительно равна массе нейтронов. После соударения нейтроны продолжают движение уже со скоростью теплового движения. Если происходит центральное соударение нейтрона с покоящимся протоном, он целиком передаёт протону свою кинетическую энергию.

Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции.

Ядерная энергетика.

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или г-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота б-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, б-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями.

Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ДMc2.

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ДM называется дефектом масс.

Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q 0) или с поглощением энергии

(Q

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ДM должна быть положительной.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.

1. Деление тяжелых ядер.

В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием б – или в-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов:  92238U (99,3 %) и 92235U (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 92235U наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 92238U  вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра92235U.  В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер составляет примерно 1,6 для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных в–-распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

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. 3.57.1.

Рисунок 3.57.1.

Схема развития цепной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп 92238U также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает 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.

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. 3.57.2.

Рисунок 3.57.2.

Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/ 3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа 92235U. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных в–-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством .

2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 3.55.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер.

Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития:

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

3

Ф-11
Ядерные реакции.
Искусственная радиоактивность.

Термоядерные реакции.
ОК-44

  1. Ядерные
    реакции.

  • Ядерными
    реакциями называют изменения атомных
    ядер при их взаимодействии с элементарными
    частицами или друг с другом
    .

  • Ядерные
    реакции происходят, когда частицы
    вплотную приближаются к ядру и попадают
    в сферу действия ядерных сил.

  • Одноименно
    заряженные частицы отталкиваются,
    поэтому сближение положительно
    заряженных частиц возможно, если этим
    частицам сообщена большая кинетическая
    энергия.

  • Для
    осуществления ядерных реакций
    используются
    частицы, испускаемые радиоактивными
    элементами или элементарные частицы
    и ядра, которым сообщена большая
    кинетическая энергия на ускорителях.

    1. Ядерные
      реакции под действием

      – частиц.

  • Первую
    в мире ядерную реакцию осуществил
    Резерфорд в 1919 г. Бомбардируя азот
    – частицами, Резерфорд обнаружил
    появление протонов, ядер атома водорода:.
    Примерно одна
    частица из 10000 тысяч захватывалась
    ядром азота, что приводило к испусканию
    протона. Реакцию можно было наблюдать
    в камере Вильсона

  • Подобные
    реакции проводились и с другими легкими
    элементами: фтор, натрий, алюминий и
    т.д. Все они сопровождались испусканием
    протонов.

  • В 1932
    г Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио–Кюри
    обнаружили, что при облучении бериллия
    – частицами возникает
    излучение, обладающее поразительным
    свойством выбивать протоны из парафина,
    вещества содержащего водород. Ученые
    предполагали, что в ходе облучения
    бериллия – частицами
    возникало – излучение.

  • Дж.
    Чедвик, ученик Резерфорда, доказал, что
    в ходе этой реакции образуется углерод
    и нейтральная частица с массой
    приблизительно равной массе протона–
    нейтрон:.
    В ходе этой реакции был открыт нейтрон!

    1. Ядерные
      реакции под действием протонов.

  • Ядерные
    реакции под действием протонов более
    эффективны, т.к. у них меньше заряд и
    поэтому сила отталкивания со стороны
    ядер в два раза меньше. Во вторых можно
    разогнать протоны на ускорителях до
    энергий 105 МэВ, во много раз больших
    энергий – частиц.

  • Первая реакция
    на быстрых протонах была осуществлена
    в 1932 г. В ходе этой реакции удалось
    расщепить ядро лития на две
    – частицы:.

1.3
Ядерные реакции на нейтронах.

  • Итальянский
    ученый Энрико Ферми первым начал
    осуществлять реакции, вызываемые
    нейтронами. Так как нейтроны лишены
    заряда, они беспрепятственно проникают
    в ядра и вызывают их изменения.

  • Ферми первый
    обнаружил, что в большинстве случаев
    медленные нейтроны более эффективны,
    чем быстрые нейтроны. Поэтому быстрые
    нейтроны целесообразно замедлить до
    тепловых скоростей. В качестве замедлителя
    можно использовать графит, воду. Примером
    реакции под действием нейтронов является
    следующая реакция:
    .

  1. Энергетический
    выход ядерных реакций.

  • Ядерные
    реакции могут идти с выделением и
    поглощением энергии. Если масса покоя
    ядер продуктов реакции меньше массы
    покоя ядер, вступающих в реакцию, то
    энергия выделяется. В противном случае
    энергия поглощается.

  • Энергетическим
    выходом ядерной реакции называется
    разность энергий покоя ядер и частиц
    до реакции и после реакции:
    или

  1. Искусственная
    радиоактивность.

  1. Получение
    и применение радиоактивных изотопов.

  • Получают
    радиоактивные изотопы в атомных
    реакторах и на ускорителях.

4.1 Получение
трансурановых элементов.

  • С
    помощью ядерных реакций получены
    радиоактивные изотопы всех химических
    элементов.

  • С
    помощью ядерных реакций получены
    трансурановые элементы: нептуний,
    плутоний и т.д. В настоящее время получены
    элементы с порядковыми номерами
    110,111,112, не имеющие пока общепризнанных
    названий.

4.2
Метод меченных атомов
.

  • Метод
    основан на том, что химические свойства
    радиоактивных изотопов не отличаются
    от свойств нерадиоактивных изотопов
    того же элемента. Радиоактивность
    является меткой, с помощью
    которой можно проследить за поведением
    элемента при различных химических
    реакциях и физических превращениях
    веществ. Метод меченых атомов стал
    действенным методом при решении
    многочисленных проблем биологии,
    физиологии, медицины и т.д.

  • С
    помощью метода меченных атомов проведены
    исследования обмена веществ в организмах.
    Было доказано, что за сравнительно
    короткое время организм подвергается
    полному обновлению. Слагающие его атомы
    заменяются новыми.

  • Добавлением
    в обычный кислород изотопа
    было
    установлено, что свободный кислород,
    выделяемый при фотосинтезе, первоначально
    входил в состав воды, а не углекислого
    газа.

  • Радиоактивные
    изотопы применяются в медицине как для
    постановки диагноза, так и для
    терапевтических целей. Радиоактивный
    натрий, вводимый в небольших количествах
    в кровь, используется для исследования
    кровообращения. Йод интенсивно отлагается
    в щитовидной железе. Наблюдая при помощи
    счетчика за отложением радиоактивного
    йода, можно быстро поставит диагноз.

4.3
Радиоактивные изотопы
– источники
излучений.

  • Применяются
    в науке, технике, медицине как компактные
    источники излучений большой энергии.
    Главным образом используется кобальт
    в
    качестве источника
    – излучения.
    излучение кобальта используется при
    лечении раковых заболеваний( кобальтовая
    пушка).

  • Мощное
    – излучение
    используется для исследования внутренней
    структуры металлически деталей с целью
    обнаружения в них дефектов . Например:
    исследуются с помощью
    – излучения железнодорожные рельсы,
    газосварочные швы на газопроводах,
    нефтепроводах и т.п.

4.4
Радиоактивные изотопы в археологии.

  • В
    растениях всегда имеется
    – радиоактивный изотоп углерода

    с периодом полураспада 5700 лет. Он
    образуется а в атмосфере из азота под
    действием космических лучей. Соединяясь
    с кислородом образует углекислый газ,
    который поглощается растениями. Один
    грамм углерода из образцов молодого
    леса испускает около пятнадцати
    – частиц в минуту. После гибели организма
    пополнение его радиоактивным углеродом
    прекращается. Определяя процентное
    содержание радиоактивного углерода в
    органических останках, можно определить
    их возраст в пределах от 1000 до 100000 лет.

  1. Термоядерные
    реакции.

  • Термоядерные
    реакции – это реакции слияния легких
    ядер при очень высокой температуре
    .

  • Для
    слияния ядер их необходимо сблизить
    на расстояние 10-12 см, чтобы они
    попали в сферу действия ядерных сил.
    Этому сближению препятствую кулоновские
    силы, которые можно преодолеть за счет
    большой кинетической энергии теплового
    движения ядер.

  • При
    слиянии легких ядер масса покоя
    уменьшается, следовательно должна
    выделятся большая энергия. Например:
    +17,6
    МэВ.

5.1 Термоядерные
реакции в звездах.

  • Энергия
    звезд и Солнца имеет термоядерное
    происхождение. В центре Солнца

( Т=1,3107
К, =100 г/см3)
происходят следующие реакции:
;

;

;

.
Эти реакции( так называемый протон –
протонный цикл), идут с выделением
энергии 26,7 МэВ, часть которой уносится
с нейтрино.

  • Ежесекундно
    в Солнце около 600 млрд. тонн водорода
    превращается в гелий. Запасов водорода
    хватит еще на 1010 лет.

  • При
    слиянии ядер гелия образуются более
    тяжелые элементы. Термоядерные реакции
    играют решающую роль в эволюции
    химического состава вещества во
    Вселенной.

5.2.
Управляемые термоядерные реакции-
практически неиссякаемый источник
энергии на Земле.

  • Наиболее
    перспективна реакция:
    +17,6
    МэВ
    .

  • Эта реакция
    будет экономически выгодна при
    температурах сотни миллионов градусов
    Кельвина при большой плотности
    вещества(1014-1015 частиц на 1
    см3).

  • При
    этой температуре вещество находится
    в плазменном состоянии. Основная
    трудность – удержать плазму внутри
    термоядерной установки в течении 1 с.
    Никакие стенки не выдержат столь высокой
    температуры. Удержать с помощью
    магнитного поля пока не удалось из-за
    неустойчивости плазмы

  • Параллельно
    ведутся работы по осуществлению
    управляемого термоядерного синтеза
    за счет нагрева термоядерной мишени
    лазерными импульсами. Термоядерная
    мишень – полый стеклянный шарик(до 1
    мм в диаметре), наполненный смесью
    дейтерия и трития. Под действием лазерных
    импульсов оболочка испаряется, вещество
    сжимается и нагревается до температур,
    при которых возможен термоядерный
    синтез.