Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Засєкіна

§ 41. Ядерні реакції

Ядерні реакції. Вивчення природної радіоактивності показало, що перетворення одного хімічного елемента на інший зумовлене внутрішньоядерними процесами, тобто змінами, які відбуваються всередині атомних ядер. У зв’язку з цим було здійснено спроби штучного перетворення одних хімічних елементів на інші завдяки впливу на атомні ядра. Виняткова стабільність ядер нерадіоактивних елементів свідчить про те, що їх зміна може статись лише під час надзвичайно великого енергетичного зовнішнього впливу. Ефективним засобом такого впливу виявилось бомбардування атомних ядер частинками високої енергії. Спочатку для бомбардування використовували α-частинки радіоактивного випромінювання. Пізніше почали використовувати й інші заряджені частинки, попередньо надавши їм великої швидкості (кінетичної енергії) у спеціальних прискорювачах. Процес перетворення атомних ядер називають ядерною реакцією.

Ядерні реакції — процес перетворення атомних ядер унаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або з іншими ядрами.

Як видно з визначення, ядерні реакції зумовлюються зовнішніми чинниками. Частинки високої енергії (α, β, n, р), зіткнувшись із ядром, можуть спричинити різноманітні перетворення.

У 1919 р. Ернест Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію, бомбардуючи азотну мішень α-частинками, і відкрив протон (р):

147Ν + 42Не → 178O + 11p.

Відкриття Резерфорда привело до створення нової галузі наукових досліджень — штучного перетворення хімічних елементів, яка й сьогодні має важливе наукове та практичне значення. У 1932 р. вперше було застосовано штучно отримані прискорені протони для розщеплення ядра Літію: 73Li + 11р → 42Не + 42Не. Цього ж року Джеймс Чедвік відкрив нейтрон (n): 94Ве + 42Не → 126С + 10n, а Фредерік Жоліо-Кюрі, здійснивши реакцію 2713Аl + 42Не → 3015Р + 10n, уперше отримав штучний радіоактивний ізотоп фосфору 3015Р, який є джерелом позитронів. Так було відкрито позитрон +0е.

Енріко Фермі показав, що нейтрони є більш придатними для ініціювання ядерних реакцій, оскільки вони не мають електричного заряду й не відштовхуються ядром, як протони чи α-частинки (котрі мають долати «кулонівський бар’єр»). У 1938 р. Отто Ган, Фрідріх Штрассман і Ліза Майтнер здійснили поділ ядра Урану-235 нейтронами: 23592U + 10n → 14556Ва + 8836Кr + 310n (один із можливих варіантів поділу). Це відкриття було не лише значним науковим досягненням — воно стало доленосним для всього світу. Саме реакція поділу 23592U лежить в основі дії й атомної електростанції, й атомної бомби.

Залежно від виду частинок, якими бомбардується ядро хімічного елемента, від енергії цих частинок, а також від виду бомбардованих ядер, можуть відбуватись різні ядерні реакції. Розрізняють такі типи ядерних реакцій:

1. Реакція захоплення. Ядро поглинає бомбардуючу частинку й перетворюється на нове, масивніше ядро. Прикладом може бути реакція 115В + 11р → 126С, у якій протон поглинається ядром Бору, і виникає ядро Карбону. Зазвичай у реакціях такого типу нове ядро утворюється в збудженому стані та, випромінивши один або кілька γ-квантів, переходить у нормальний (основний) стан.

2. Поглинання ядром бомбардуючої частинки та випускання новоутвореним ядром однієї або кількох частинок. Прикладом такої реакції може бути реакція 94Ве + 21Н → 105В + 10n. Тут Дейтрон поглинається ядром Берилію, а проміжне ядро, що утворилось, випромінює нейтрон і перетворюється на ядро атома Бору.

3. Поділ ядра. Під дією бомбардування ядер частинками великих енергій можливе розщеплення ядра на кілька частин. Так, наприклад, ядро атома Бору внаслідок бомбардування протонами достатньо великої енергії може розпастись на три α-частинки. Ця реакція відбувається у два етапи. Спочатку вилітає одна α-частинка 115В + 11p → 84Be + 42He, але ядро Берилію виявляється сильнозбудженим і розпадається ще на дві α-частинки: 84Ве → 42He + 42Не.

Якщо частинка високої енергії влучає в ядро масивного елемента, останнє може розпастись на велику кількість частинок або на уламки приблизно однакової маси.

4. Реакція синтезу. Це реакція злиття (синтезу) легких атомних ядер у більш важке. Синтез можливий лише за дуже високих температур — порядку 108 К і вищих (тому їх ще називають термоядерними реакціями).

Наприклад, синтез Гелію з Дейтерію і Тритію, 21Н + 31Н → 42He + 10n.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту, зокрема шляхом термоядерних реакцій сформувались хімічні елементи. Енергія випромінювання зір — це енергія термоядерних реакцій, що відбуваються в їхніх надрах. Для Сонця основною реакцією є перетворення чотирьох протонів на ядро атома Гелію, що супроводжується виділенням енергії понад 26 МеВ за один цикл.

У земних умовах отримати температуру, за якої можлива термоядерна реакція, можна, лише застосувавши ядерний вибух (на цьому ґрунтується принцип дії водневої бомби) або потужний імпульс лазерного випромінювання (керована термоядерна реакція синтезу).

Енергетичний вихід ядерної реакції. Під час ядерних реакцій обов’язково виконуються закони збереження. На основі закону збереження і перетворення енергії можна розрахувати енергетичний вихід ядерної реакції.

Енергетичний вихід ядерної реакції Евих — це енергія, яка виділяється як продукт реакції (або затрачається для здійснення реакції). Вона дорівнює різниці енергій спокою всіх ядер і частинок до та після реакції.

Евих = Δmc2 , де Δm — дефект маси, який можна розрахувати як різницю між сумою мас спокою ядер і частинок до та після ядерної реакції. Якщо сумарна маса продуктів реакції менша від суми мас вихідних ядер, то реакція супроводжується виділенням енергії — у вигляді кінетичної енергії утворених частинок. Якщо ж сумарна маса продуктів реакції більша за сумарну масу вихідних ядер, то така реакція для свого перебігу потребує енергетичної підтримки.

Ядерна енергетика. Пошук способів перетворення й використання енергії є не просто проблемою дослідження науковців. Енергонезалежність, енергетична безпека є однією з найважливіших проблем внутрішньої та зовнішньої політики держав. Розвиток людського суспільства нерозривно пов’язаний з використанням природних ресурсів нашої планети, зі споживанням різних видів енергії у дедалі більших масштабах. Усі здобутки сучасної цивілізації можливі завдяки тій величезній кількості штучної енергії, яку виробляє людство. Виробництво теплової та електричної енергії ґрунтується на процесі спалювання копалин-енергоресурсів — вугілля, нафти, газу. Завдяки науковим дослідженням людина дістала у своє розпорядження величезну силу, нове могутнє джерело енергії, закладене в ядрах атомів, — ядерну енергію. В історії людства не було наукової події, більш визначної за своїми наслідками, ніж відкриття ділення ядер урану.

Детальніше про принцип дії ядерних реакторів, проблеми та перспективи використання ядерної енергетики читайте в електронному додатку.

Для України атомна (ядерна) енергетика є стратегічно важливим елементом енергозабезпечення. Сьогоднішній і прогнозований внесок її становить близько 55 % електроенергії, що виробляється в країні. За кількістю ядерних реакторів Україна посідає дев’яте місце у світі й третє в Європі. В Україні діють 4 атомні електростанції з 15 енергоблоками, одна з яких — Запорізька АЕС, яка із 6 енергоблоками загальною потужністю в 6000 МВт, є найпотужнішою в Європі.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Чим ядерна реакція відрізняється від хімічної? Які бувають типи ядерних реакцій? У чому полягає основна відмінність ядерних реакцій на нейтронах? 2. Як обчислюється енергетичний вихід ядерної реакції?

Приклади розв'язування задач

Задача 1. Обчисліть енергетичний вихід ядерної реакції 147N + 42Не → 178О + 11H. Для наближених обчислень можна використати відносні атомні маси елементів (див. табл. на с. 270).

Задача 2. Потужність атомної установки підводного човна дорівнює 14,7 МВт. Ядерним пальним є збагачений уран 23592U. Визначте запас пального, необхідний для плавання човна протягом 30 діб, якщо за поділу одного ядра урану виділяється 200 МеВ енергії.

Вправа 32

1. Допишіть позначення, яких бракує в рівняннях таких ядерних реакцій:

  • 2713Al + 10n → +42He;
  • 126C + 11H → 136C + ?;
  • ? + 11H → 2211Na + 42He;
  • 5525Mn + ? → 5527Fe + 10n;
  • 2713Al + γ → 2612Mg + ?.

2. Виділяється чи поглинається енергія під час таких ядерних реакцій:

  • 147N + 42He → 178O + 11H;
  • 63Li + 11H → 42He + 32He;
  • 73Li + 42He → 105B + 10n?

3. Яку мінімальну енергію повинна мати α-частинка, щоб відбулась ядерна реакція:

  • 73Li + 42He → 105B + 10n?