Ядерная реакция

редактировать
В этом символическом изображении ядерной реакции литий-6 (6 3Ли ) и дейтерий (2 1ЧАС ) реагируют с образованием высоковозбужденного промежуточного ядра 8 4Быть который затем распадается сразу в двух альфа - частиц из гелия-4 (4 2Он ). Протоны символически представлены красными сферами, а нейтроны - синими сферами.

В ядерной физике и ядерной химии, А ядерная реакция представляет собой процесс, в котором два ядра, или ядро и внешняя субатомная частиц, Collide для получения одного или более новых нуклидов. Таким образом, ядерная реакция должна вызвать превращение хотя бы одного нуклида в другой. Если ядро ​​взаимодействует с другим ядром или частицей, а затем они разделяются, не меняя природу какого-либо нуклида, этот процесс просто называют типом ядерного рассеяния, а не ядерной реакцией.

В принципе, реакция может включать столкновение более двух частиц, но поскольку вероятность того, что три или более ядер встретятся в одно и то же время в одном месте, намного меньше, чем для двух ядер, такое событие является исключительно редким (см. Тройную альфа процесс, например, очень близкий к трехчастичной ядерной реакции). Термин «ядерная реакция» может относиться либо к изменению нуклида, вызванному столкновением с другой частицей, либо к спонтанному изменению нуклида без столкновения.

Естественные ядерные реакции происходят при взаимодействии космических лучей и материи, и ядерные реакции можно использовать искусственно для получения ядерной энергии с регулируемой скоростью по запросу. Ядерные цепные реакции в делящихся материалах вызывают индуцированное ядерное деление. Различные реакции ядерного синтеза легких элементов обеспечивают производство энергии Солнцем и звездами.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 История
  • 2 Номенклатура
  • 3 Энергосбережение
  • 4 Q-ценность и энергетический баланс
  • 5 Скорость реакции
  • 6 Заряженные и незаряженные частицы
  • 7 Известные типы
    • 7.1 Прямые реакции
      • 7.1.1 Неупругое рассеяние
      • 7.1.2 Реакции обмена заряда
      • 7.1.3 Реакции переноса нуклонов
      • 7.1.4 Реакции с нейтронами
    • 7.2 Составные ядерные реакции
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Источники

История

В 1919 году Эрнест Резерфорд смог осуществить трансмутацию азота в кислород в Манчестерском университете, используя альфа-частицы, направленные на азот 14 N + α → 17 O + p. Это было первое наблюдение индуцированной ядерной реакции, то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. В конце концов, в 1932 году в Кембриджском университете коллеги Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон осуществили полностью искусственную ядерную реакцию и ядерную трансмутацию, которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома », хотя это не была современная реакция ядерного деления, позднее (в 1938 году) открытая в тяжелых элементах немецкими учеными Отто Ганом, Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманном.

Номенклатура

Ядерные реакции могут быть показаны в форме, подобной химическим уравнениям, для которых инвариантная масса должна уравновешиваться для каждой стороны уравнения и в которых преобразования частиц должны следовать определенным законам сохранения, таким как сохранение заряда и барионного числа (общая атомная масса номер ). Пример этого обозначения следующий:

6 3Ли   2 1ЧАС   →  4 2Он   ?

Чтобы сбалансировать приведенное выше уравнение для массы, заряда и массового числа, второе ядро ​​справа должно иметь атомный номер 2 и массовое число 4; следовательно, это также гелий-4. Таким образом, полное уравнение гласит:

6 3Ли   2 1ЧАС   →  4 2Он   4 2Он .

или проще:

6 3Ли   2 1ЧАС   →  4 2Он .

Вместо использования полных уравнений в стиле, приведенном выше, во многих ситуациях для описания ядерных реакций используются компактные обозначения. Этот стиль формы A (b, c) D эквивалентен A + b, дающему c + D. Обычные легкие частицы часто сокращаются в этом сокращении, обычно p для протона, n для нейтрона, d для дейтрона, α, представляющего альфа частица или гелий-4, β для бета-частицы или электрона, γ для гамма-фотона и т. д. Вышеуказанная реакция будет записана как 6 Li (d, α) α.

Энергосбережение

Кинетическая энергия может высвобождаться в ходе реакции ( экзотермическая реакция ), или кинетическая энергия может потребоваться для того, чтобы реакция имела место ( эндотермическая реакция ). Это можно рассчитать, ссылаясь на таблицу очень точных масс покоя частиц, как показано ниже: согласно справочным таблицам,6 3Ли ядро имеет стандартный атомный вес 6.015 атомных единиц массы (сокращенно u ), дейтерий - 2.014 u, а ядро ​​гелия-4 - 4.0026 u. Таким образом:

  • сумма масс покоя отдельных ядер = 6,015 + 2,014 = 8,029 ед.;
  • полная масса покоя на двух ядрах гелия = 2 × 4,0026 = 8,0052 ед.;
  • недостающая масса покоя = 8,029 - 8,0052 = 0,0238 атомных единиц массы.

В ядерной реакции сохраняется полная (релятивистская) энергия. Следовательно, «недостающая» масса покоя должна снова появиться в виде кинетической энергии, высвобождаемой в реакции; его источником является энергия связи ядра. Используя формулу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E  =  mc 2, можно определить количество выделяемой энергии. Сначала нам нужен энергетический эквивалент одной атомной единицы массы :

1 u  c 2  = (1,66054 × 10 −27  кг) × (2,99792 × 10 8  м / с) 2 
= 1,49242 × 10 −10  кг (м / с) 2  = 1,49242 × 10 −10  Дж ( джоуль ) × (1  МэВ  / 1,60218 × 10 −13  Дж)
= 931,49 МэВ,
 Таким образом, 1 u  c 2 = 931,49 МэВ.

Следовательно, выделяемая энергия составляет 0,0238 × 931 МэВ = 22,2 МэВ.

Выражается по-другому: масса снижается на 0,3%, что соответствует 0,3%, 90 ПДж / кг составляет 270 ТДж / кг.

Это большое количество энергии для ядерной реакции; количество настолько велико, потому что энергия связи на нуклон ядра гелия-4 необычно высока, потому что ядро ​​He-4 является « дважды магическим ». (Ядро He-4 необычно стабильно и тесно связано по той же причине, по которой атом гелия инертен: каждая пара протонов и нейтронов в He-4 занимает заполненную 1s ядерную орбиталь так же, как пара электронов в атоме гелия. атом гелия занимает заполненную 1s электронную орбиталь ). Следовательно, альфа-частицы часто появляются в правой части ядерных реакций.

Энергия, выделяющаяся в ядерной реакции, может проявляться в основном одним из трех способов:

  • кинетическая энергия частиц продукта (часть кинетической энергии заряженных продуктов ядерной реакции может быть непосредственно преобразована в электростатическую энергию);
  • излучение фотонов очень высокой энергии, называемых гамма-лучами ;
  • некоторая энергия может оставаться в ядре в виде метастабильного энергетического уровня.

Если ядро-продукт является метастабильным, это обозначается звездочкой («*») рядом с его атомным номером. Эта энергия в конечном итоге высвобождается в результате ядерного распада.

Небольшое количество энергии может также появиться в виде рентгеновских лучей. Как правило, ядро-продукт имеет другой атомный номер, и поэтому конфигурация его электронных оболочек неправильная. Поскольку электроны перестраиваются и переходят на более низкие уровни энергии, могут испускаться рентгеновские лучи внутреннего перехода (рентгеновские лучи с точно определенными линиями излучения ).

Q-ценность и энергетический баланс

Записывая уравнение реакции аналогично химическому уравнению, можно дополнительно указать энергию реакции в правой части:

Целевое ядро + снаряд → конечное ядро + испускаемая частица + Q.

Для обсуждаемого выше частного случая энергия реакции уже была рассчитана как Q = 22,2 МэВ. Следовательно:

6 3Ли   2 1ЧАС   →  4 2Он   22,2  МэВ.

Энергия реакции («Q-value») положительна для экзотермических реакций и отрицательна для эндотермических реакций, в отличие от аналогичного выражения в химии. С одной стороны, это разница между суммами кинетических энергий на конечной и начальной стороне. Но с другой стороны, это также разница между массами покоя ядер на начальной и конечной сторонах (таким образом, мы вычислили значение Q выше).

Скорость реакции

Если уравнение реакции сбалансировано, это не означает, что реакция действительно происходит. Скорость, с которой происходят реакции, зависит от энергии и потока падающих частиц, а также сечения реакции. Примером большого хранилища скоростей реакций является база данных REACLIB, которую ведет Объединенный институт ядерной астрофизики.

Заряженные и незаряженные частицы

В начальном столкновении, которое запускает реакцию, частицы должны сблизиться достаточно близко, чтобы сильная сила ближнего действия могла воздействовать на них. Поскольку большинство обычных ядерных частиц заряжены положительно, это означает, что они должны преодолеть значительное электростатическое отталкивание, прежде чем реакция может начаться. Даже если ядро-мишень является частью нейтрального атома, другая частица должна проникнуть далеко за пределы электронного облака и вплотную приблизиться к ядру, которое заряжено положительно. Таким образом, такие частицы необходимо сначала ускорить до высоких энергий, например, с помощью:

Кроме того, поскольку сила отталкивания пропорциональна произведению двух зарядов, реакции между тяжелыми ядрами встречаются реже и требуют более высокой инициирующей энергии, чем реакции между тяжелым и легким ядрами; в то время как реакции между двумя легкими ядрами являются наиболее распространенными.

С другой стороны, нейтроны не имеют электрического заряда, вызывающего отталкивание, и могут инициировать ядерную реакцию при очень низких энергиях. Фактически, при чрезвычайно низких энергиях частиц (соответствующих, скажем, тепловому равновесию при комнатной температуре ) длина волны де Бройля нейтрона значительно увеличивается, возможно, значительно увеличивая его сечение захвата при энергиях, близких к резонансам задействованных ядер. Таким образом, нейтроны низкой энергии могут быть даже более реактивными, чем нейтроны высокой энергии.

Известные типы

Хотя количество возможных ядерных реакций огромно, есть несколько типов, которые более распространены или примечательны в других отношениях. Вот некоторые примеры:

  • Реакции синтеза - два легких ядра соединяются, образуя более тяжелое, с последующим испусканием дополнительных частиц (обычно протонов или нейтронов).
  • Расщепление - ядро ​​поражает частица с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько небольших фрагментов или разбить его на множество фрагментов.
  • Индуцированное гамма-излучение относится к классу, в котором только фотоны участвовали в создании и разрушении состояний ядерного возбуждения.
  • Альфа-распад - хотя и вызывается теми же основными силами, что и спонтанное деление, α-распад обычно считается отдельным от последнего. Часто цитируемое представление о том, что «ядерные реакции» ограничиваются индуцированными процессами, неверно. «Радиоактивные распады» - это подгруппа «ядерных реакций», которые являются скорее спонтанными, чем индуцированными. Например, так называемые «горячие альфа-частицы» с необычно высокими энергиями могут фактически образовываться в результате индуцированного тройного деления, которое является индуцированной ядерной реакцией (в отличие от спонтанного деления). Такие альфы также возникают в результате спонтанного тройного деления.
  • Реакции деления - очень тяжелое ядро ​​после поглощения дополнительных легких частиц (обычно нейтронов) распадается на две, а иногда и на три части. Это индуцированная ядерная реакция. Самопроизвольное деление, которое происходит без помощи нейтрона, обычно не считается ядерной реакцией. В лучшем случае это не индуцированная ядерная реакция.

Прямые реакции

Снаряд промежуточной энергии передает энергию или захватывает или теряет нуклоны ядру за одно быстрое (10 −21 секунду) событие. Передача энергии и импульса относительно невелика. Они особенно полезны в экспериментальной ядерной физике, поскольку механизмы реакции часто достаточно просты для расчета с достаточной точностью, чтобы исследовать структуру ядра-мишени.

Неупругое рассеяние

Основная статья: Неупругое рассеяние

Передаются только энергия и импульс.

  • (p, p ') проверяет различия между ядерными состояниями.
  • (α, α ') измеряет форму и размеры ядерной поверхности. Поскольку α-частицы, попадающие в ядро, реагируют более бурно, упругое и неглубокое неупругое α-рассеяние чувствительно к форме и размеру мишеней, как свет, рассеянный маленьким черным объектом.
  • (e, e ') полезен для исследования внутренней структуры. Поскольку электроны взаимодействуют менее сильно, чем протоны и нейтроны, они достигают центров мишеней, и их волновые функции меньше искажаются при прохождении через ядро.

Зарядно-обменные реакции

Энергия и заряд передаются между снарядом и целью. Вот некоторые примеры такого рода реакций:

  • (п, п)
  • ( 3 He, t)

Реакции переноса нуклонов

Обычно при умеренно низкой энергии между снарядом и мишенью передается один или несколько нуклонов. Они полезны при изучении структуры внешней оболочки ядер. Возможны реакции передачи от снаряда к цели; реакции на раздевание, или от цели до снаряда; пикап реакции.

  • (α, n) и (α, p) реакции. Некоторые из самых ранних изученных ядерных реакций включали альфа-частицу, образовавшуюся в результате альфа-распада, выбивающую нуклон из ядра-мишени.
  • (d, n) и (d, p) реакции. А дейтронов луч падает на мишень; ядра-мишени поглощают нейтрон или протон от дейтрона. Дейтрон настолько слабо связан, что это почти то же самое, что захват протона или нейтрона. Может образоваться составное ядро, что приведет к более медленному испусканию дополнительных нейтронов. (d, n) реакции используются для генерации энергичных нейтронов.
  • Реакция обмена странностями ( K, π ) была использована для изучения гиперядер.
  • Реакция 14 N (α, p) 17 O, проведенная Резерфордом в 1917 г. (сообщается в 1919 г.), обычно считается первым экспериментом по ядерной трансмутации.

Реакции с нейтронами

Т 7 ли 14 С
(п, а) 6 Li + n → Т + α 10 B + n → 7 Li + α 17 О + п → 14 С + α 21 Ne + n → 18 O + α 37 Ar + n → 34 S + α
(п, р) 3 He + n → T + p 7 Be + n → 7 Li + p 14 Н + п → 14 С + р 22 Na + n → 22 Ne + p
(п, у) 2 H + п → Т + γ 13 С + п → 14 С + γ

Реакции с нейтронами важны в ядерных реакторах и ядерном оружии. В то время как наиболее известных реакции нейтронных рассеяния нейтронов, захват нейтронов и ядерное деление, для некоторых легких ядер (особенно нечетно-нечетные ядра ) наиболее вероятная реакция с тепловыми нейтронами реакция переноса:

Некоторые реакции возможны только с быстрыми нейтронами :

Составные ядерные реакции

Либо снаряд с низкой энергией поглощается, либо частица с более высокой энергией передает энергию ядру, оставляя его со слишком большим количеством энергии, чтобы быть полностью связанным вместе. В масштабе времени около 10 -19 секунд частицы, обычно нейтроны, «выкипают». То есть они остаются вместе до тех пор, пока в одном нейтроне не будет сосредоточено достаточно энергии, чтобы избежать взаимного притяжения. Возбужденное квазисвязанное ядро ​​называется составным ядром.

Дополнительная информация: Скалывание § Ядерное расщепление

Смотрите также

использованная литература

Источники

Последняя правка сделана 2023-03-19 07:42:55
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте