Ядерная физика. Тема 3. Ядерные реакции

1.

2. Тема 3. Ядерные реакции

План лекции
3.1. Энергия связи ядер.
3.2. Удельная энергия связи.
3.3. Ядерные реакции.
3.4. Цепная реакция деления тяжёлых ядер.
3.5. Термоядерная реакция синтеза.

3. 3.1. Энергия связи ядер

Зная величину ядерных сил, можно определить энергию,
необходимую для разложения ядер на составляющие их
нуклоны, на разрыв связи между ними.
Энергия связи ядра равна работе, которую нужно совершить
для расщепления ядра на составляющие его отдельные
нуклоны.

4.

Исходя из закона сохранения энергии следует, что при
образовании ядра из свободных нуклонов должна
выделяться та же энергия, которую нужно затратить
при расщеплении ядра на нуклоны.
Энергия ядра складывается:
- из потенциальной энергии, обусловленной ядерными
силами притяжения;
- потенциальной энергии, обусловленной
электростатическими силами отталкивания;
- кинетической энергии движения нуклонов в ядре.

5.

E я E пя E п.эл E кин .
Основную роль в этой сумме играет первое
слагаемое.
Энергия сил притяжения отрицательна, поэтому E я
имеет отрицательный знак.
Энергия связи ядра E св по величине равна энергии
ядра E я .

6.

Энергию связи ядра можно определить по так
называемому дефекту масс .
2
E св m c .
Дефект массы определяет разницу между общей
массой свободных невзаимодействующих нуклонов
и массой ядра.
m m нукл. m я Z m p A Z m n m я .
При образовании ядра масса частиц уменьшается
на m , что соответствует выделению энергии,
равной E св .

7.

Поскольку практически известны не массы ядер, а
массы атомов, и учитывая, что масса протона
примерно равна массе атома водорода ( m p m H ), то
формулу для энергии связи можно записать в виде:
E св с 2 Z m H A Z m n m a .
Для расчета удобна еще одна запись.
В физике микромира масса обычно изменяется в
а.е.м., а энергия в МэВ.
Подставим в формулу значение скорости света
8
c 3 10 м / c

8.

Затем перейдём от кг к а.е.м. и от Дж к МэВ, то получим
простую формулу для расчета энергии связи:
E св 931 m.
Для примера вычислим энергию связи нуклонов в ядре
гелия, в состав которого входят 2 протона и 2 нейтрона.
E св 931
2 1,растет
00813с числом
2 1,0089
4,00386
28
,3МэВ
Энергия
связи
нуклонов,
то есть
при
увеличении массового числа .

9. 3.2. Удельная энергия связи

В качестве характеристики связанности нуклонов
удобно использовать понятия удельной энергии
связи.
Удельная энергия связи – энергии, приходящаяся на
один нуклон.
E св
E уд
.
A
Она измеряется в МэВ/нуклон.

10.

Удельная энергия связи
для некоторых важных изотопов составляет
величину:
для водорода (1 нуклон) – 0,12 МэВ/нуклон;
для дейтерия (2 нуклона) - 1,09 МэВ/нуклон;
для трития (3 нуклона) – 2,77 МэВ/нуклон;
для гелия (4 нуклона) -7,1 МэВ/нуклон;
для лития (7 нуклонов) – 5,30 МэВ/нуклон.

11.

Удельная энергия связи
МэВ
E
,
уд
н
1
0
8
6
4
2
4
He
2
82
Kr
238
U
Li
T3
Д2
4
0
8
0
1
2
0
1
6
0
2
0
0
2
4
0 A

12.

Удельная энергия связи ядер

13.

Удельная энергия связи быстро возрастает от нуля до
7,1 МэВ/нуклон.
Затем рост ее замедляется и увеличивается примерно
до 8,7 МэВ/нуклон в ядрах, содержащих 56 нуклонов
(эти ядра наиболее устойчивые).
После этого удельная энергия связи постепенно
уменьшается до 7,5 МэВ/нуклон для всех тяжелых
известных ядер.

14.

Максимум удельной энергии связи приходится на ядра
со средним массовым числом.
Это обстоятельство связано с тем, что в этих ядрах
нуклоны более плотно упакованы.
График изменения удельной энергии связи в
зависимости от массового числа позволяет оценить
энергию ядерных превращений.

15.

В начале периодической системы Менделеева
удельная энергия связи резко возрастает с атомной
массой.
Поэтому объединение меньших ядер в большие
(ядерный синтез) связано с выделением энергии.
Последняя особенно велика при образовании ядер
гелия.
При этом связь между нуклонами в новом ядре
становится прочнее (упаковка нуклонов становится
плотнее).

16.

Для ядер, относящихся к концу периодической
таблицы, выделением энергии сопровождается
расщеплением ядер.
Необходимо подчеркнуть, что энергетические
соотношения говорят о возможности выделения
энергии.
Осуществление же этих процессов зависит в
значительной степени от других факторов.

17. 3.3. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс сильного
взаимодействия атомного ядра с элементарной
частицей, приводящей к образованию новых
ядер.
Ядерные реакции осуществляются путем
“бомбардировки” подвергаемых превращениям ядер,
частицами высоких энергий (протонами, нейтронами,
- частицами,
- квантами).

18.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции
является реакция взаимодействия легкой частицы
«а» с ядром Х, в результате которой образуется
легкая частица «в» и ядро У:
X a Y в
Коротко эта реакция записывается как
X(a; в)Y.

19.

Ядерные реакции делятся на 2 группы в зависимости от
энергии бомбардирующих частиц: относительно
“малая” энергия (меньше 50 МэВ) и “большая”
(больше 50 МэВ).
По механизмам протекания реакции эти две группы
существенно различны.
Очень быстрые частицы вызывают протекание реакции в
два этапа:
X a П Y в.

20.

Первый этап заключается в захвате приблизившейся к
ядру частицы «а» и в образовании промежуточного
ядра (компаунд – ядра).
При этом компаунд – ядро оказывается в
возбужденном состоянии.
Втором этап заключается в испускании компаунд –
ядром частицы «в» .

21.

Ядерные реакции, вызываемые частицами малой
энергии, разделяются на группы в зависимости от
вида бомбардирующих частиц:
а) процесс протонного захвата;
б) процесс нейтронного захвата;
в) фотоядерные реакции и т.д.
Наиболее важными среди указанных реакций являются
реакции под действием нейтронов.
Почти все элементы сильно взаимодействуют с
нейтронами.

22.

Нейтронный захват позволяет получать радиоактивные
изотопы почти всех химических элементов.
Самые тяжелые элементы при захвате нейтронов
испытывают деление на две части с испусканием
вторичных нейтронов.
Ядерные реакции могут сопровождаться как
выделением тепла, так и его поглощением.

23.

Замечено, что под действием тепловых нейтронов
делится не любой изотоп урана, а именно уран 235, который наименее распространен в природе.
В природном уране содержится в основном изотоп
урана-238, а урана-235 всего лишь 0,72%.
Советские физики Ю.Харитон и Я.Зельдович (и
независимо от них Н.Бор) теоретически показали
возможность цепной реакции деления урана - 235.

24.

Они определили, что при спонтанном делении 1 кг
урана-235 выделяется энергия, эквивалентная
сгоранию 2300000 кг антрацита, а его взрыв
эквивалентен 20000 тонн тротила.
К концу 1940 года Ю.Б.Харитон и И.В.Курчатов
разработали обстоятельный план работ по
осуществлению управляемой ядерной реакции
деления (то есть по созданию атомного реактора).

25. 3.4. Реакция деления тяжёлых ядер

Особенности реакции деления тяжелых ядер
1.
Под воздействием медленных (тепловых)
нейтронов делятся многие ядра:
-
232
Th
;
торий 90
-
протактиний
-
плутоний
91
Pa 231 ;
239
Pu
;
94
особенно уран
235
U
.
92

26.

238
2. Уран 92 U
делится под воздействием очень
быстрых нейтронов.
3. В результате реакции деления образуются осколки
деления.
Наиболее вероятным является деление, при котором
массы осколков относятся как 2 : 3.
Продукты деления в основном радиоактивны.

27.

4. В результате одного акта деления тяжелого ядра
рождается несколько вторичных нейтронов.
Один акт деления урана - 235 сопровождается
выбросом 2 – 3 нейтронов (в среднем 2,5 нейтрона).
5. Испускание нескольких нейтронов при делении
тяжелых ядер делает возможность осуществления
цепной ядерной реакции.

28.

Схема развития цепной реакции

29.

Рассмотрим неуправляемую цепную реакцию,
которая осуществляется в атомных бомбах.
В куске чистого урана-235 каждый захваченный ядром
нейтрон вызывает деление ядра с испусканием 2 - 3
нейтронов.
6. Цепная реакция не возникнет, если масса куска
вещества будет меньше критической, иначе
большинство вторичных нейтронов вылетает наружу,
не вызвав деления ядер.
Для куска урана критические размеры составляют:
- масса ~ 50 кг;
- размер ~ 13 см.

30.

При массе большей критической нейтроны быстро
размножаются, и реакция носит взрывной характер.
На этом основано действие атомной бомбы.
Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два
или более кусков почти чистого урана-235 или
плутония - 239.
Масса каждого куска меньше критической.
Чтобы вызвать ядерный взрыв, достаточно соединить
части заряда в один кусок с массой, большей
критической.

31.

Это достигается обычным взрывом небольшой
мощности взрывчаткой.
Для осуществления цепной реакции достаточно
нейтронов, которые имеются в земной атмосфере.
Соединение кусков должно быть быстрым и плотным.
При взрыве успевает прореагировать только часть
ядерного вещества.

32.

Управляемая цепная реакция деления тяжёлых ядер
осуществляется в ядерных реакторах (атомных
котлах).
Существует несколько типов ядерных реакторов.
В качестве примера на рисунке показана схема
устройства ураново-графитового реактора на
медленных нейтронах.

33.

Схема устройства ядерного реактора

34.

Ядерный реактор - это устройство, предназначенное
для превращения энергии атомного ядра в
электрическую энергию.
В ядре реактора находится радиоактивное вещество
(обычно, уран или плутоний).
Энергия, выделяемая за счет α-распада этих атомов,
нагревает воду.
Получающийся водяной пар устремляется в паровую
турбину; за счет ее вращения в электрогенераторе
вырабатывается электрический ток.

35.

В качестве делящегося (рабочего) вещества в
реакторах служит либо природный, либо
обогащенный изотоп урана.
Его помещают в виде блоков (2) в вещество, которое
предназначено для замедления нейтронов (1).
В качестве замедлителей используют тяжелую воду,
обычную воду, графит.

36.

Блок - схема ураново-графитового реактора
3
2
1

37.

Режим работы атомного реактора определяется
коэффициентом размножения нейтронов.
Он показывает, сколько новых нейтронов в среднем
освобождается при одном делении ядра.
Если K 1, то прерывается больше цепочек деления,
чем возникает новых, и процесс останавливается.

38.

При
К=1
процесс деления размножается.
При пуске реактора коэффициент К должен быть
больше 1.
Когда скорость реакции достигает желаемой величины,
должно установиться состояние, соответствующее
стационарному процессу: К =1.

39.

Регулирование коэффициента размножения
осуществляется с помощью стержней (3), которые
содержат вещество, поглощающее нейтроны
(кадмий, бор, гафний).
Эти стержни опускают в реактор на различную глубину:
- при подъеме стержней из реактора величина К
увеличивается;
- при опускании – уменьшается.

40.

Чтобы предотвратить чрезмерное повышение
температуры, выделяющееся тепло отводят с
помощью охлаждающей жидкости, которая
превращается в пар, способный выполнять
механическую работу.
При работе реактора в урановых блоках накапливается
достаточное количество плутония и других
радиоактивных изотопов.
Блоки извлекаются из реактора и направляются на
химическую переработку.

41.

Для защиты от радиоактивных излучений и нейтронов
все устройство окружается толстым слоем бетона.
При делении 1 урана выделяется примерно тепла, что
соответствует сгоранию 3000 тонн каменного угля.
Эта энергия преобразовывается в пар и используется
для получения электрической энергии.
Первая атомная электростанция была построена в
1954 году в Советском Союзе.

42.

Основной интерес для ядерной энергетики
представляет реакция деления ядра урана - 235.
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:

43. 3.5. Термоядерная реакция синтеза

Слияние легких ядер в более тяжелые сопровождается
выделением огромного количества энергии.
Энергия, которая выделяется при термоядерных
реакциях, в расчете на один нуклон, в несколько раз
превышает удельную энергию, выделяющуюся в
цепных реакциях деления ядер.

44.

Например, превращение 1 водорода в гелий приводит к
освобождению в 8 раз большей энергии, чем
деление 1 урана.
Реакция слияния ядер дейтерия и трития является
одной из наиболее перспективных термоядерных
реакций.
Синтез легких ядер может стать возможным при
условии очень большой скорости столкновения ядер.

45.

При большой скорости ядра способны преодолевать
кулоновское отталкивание их положительных
зарядов.
Как показывают расчеты, такая скорость достигается
при температурах порядка 100 миллионов градусов
(108 К).
Таким образом, синтез легких ядер осуществляется
только при очень высоких температурах, поэтому
реакции ядерного синтеза получили название
термоядерных реакций.

46.

Примеры некоторых термоядерных реакций:
2
4
1
D 1T 2 He 0 n 17,6МэВ
1
1
3
2
3
4
1
D 2 He 2 He 1 H 18,4МэВ
3
3
6
2
4
7
1
4
Li 1 D 2 2 He 22,4МэВ
Li 1 H 2 2 He 17,3МэВ

47.

Использование энергии термоядерных реакций будет
возможным только в том случае, если станет
возможным процесс регулирования их скорости.
Особенно большие трудности возникают при
получении и поддержании высоких температур.
При температурах 108 К ядерная смесь представляет
собой плазму.
Удержание плазмы в заданном объеме и
предотвращение охлаждения плазмы – сами по себе
еще не решенные задачи.

48.

В советских установках типа “Токамак” удается
получать температуры в 10 миллионов градусов при
времени удержания плазмы порядка 0,01 секунды.
Эксперименты, направленные на осуществление
термоядерных реакций в мирных целях,
продолжаются.
Применение термоядерных реакций с целью
получения взрывов (неуправляемые
термоядерные реакции) представляет значительно
меньшие трудности.

49.

Заряд водородной бомбы образуют вещества дейтерий
и тритий, реакция которых происходит по схеме:
1
2
3
4
1
D 1T 2 He 0 n 17,6МэВ
Запалом в такой бомбе служит обычная атомная
бомба, при взрыве которой в течение очень малой
7
8
доли секунды температура достигает 10 10 K .
За это время смесь, пригодная для термоядерной
реакции, нагревается до такой температуры, что
ядерный синтез сопровождается взрывом.

50.

Разрушительная сила водородной бомбы во много раз
больше, чем атомной.
Термоядерные реакции протекают в грандиозных
масштабах во Вселенной.
На Солнце предположительно осуществляется
протонно – протонный цикл, протекающий в 3 стадии:
1
1
2
H
H
D
e
1
1
1
2
1
3
D
H
He
1
1
2
2
3
3
4
He 2 He 2 He 21 H
1

51.

В более горячих звездах осуществляется углеродо –
азотный цикл, имеющий название цикла Бете.
12
1
13
C
H
N
6
1
7
13
13
N
C
e
7
6
13
1
14
C
H
N
6
1
7
14
1
15
N
H
O
7
1
8
15
15
O
N
e
8
7
15
1
8 16
12
4
N
H
O
C
He
7
1
8
6
2