Рачек Мария, Есман Виталия, Румянцева Виктория

Этот исследовательский проект выполнен учащимися 9-го класса. Он является опережающим заданием при изучении школьниками темы "Строения атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер" в курсе физике 9 класса. Целью проекта является выяснение условий протекания ядерных реакций и принципов работы АЭС.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 14

Имени Героя Советского Союза

Анатолия Перфильева

г . Александров

Исследовательская работа по физике

«Ядерные реакции»

Выполнили

ученицы

9В класса:

Рачек Мария,

Румянцева Виктория,

Есман Виталия

учитель

Романова О.Г.

2015

План проекта

Введение

Теоретическая часть

• Атомная энергетика.

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Актуальность :

Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является энергетическая проблема. Потребление энергии растёт столь быстро, что известные в настоящее время запасы топлива окажутся исчерпанными в сравнительно короткое время. Проблему «энергетического голода» не решает и использование энергии так называемых возобновляемых источников (энергии рек, ветра, солнца, морских волн, глубинного тепла Земли), так как они могут обеспечить в лучшем случае только 5-10% наших потребностей. В связи с этим в середине XX века возникла необходимость поиска новых источников энергии.

В настоящее время реальный вклад в энергоснабжение вносит ядерная энергетика, а именно, атомные электростанции (сокращённо АЭС). Поэтому мы решили выяснить, полезны ли человечеству АЭС.

Цели работы:

1. Выяснить условия протекания ядерных реакций.
2. Выяснить принципы работы АЭС, а также узнать, хорошее или плохое влияние он оказывает на окружающую среду и на человека.

В рамках достижения цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Узнать строение атома, его состав, что такое радиоактивность.
2. Исследовать атом урана. Исследовать ядерную реакцию.
3. Исследовать принцип работы ядерных двигателей.

Методы исследования:

1. Теоретическая часть - чтение литературы о ядерных реакциях.

Теоретическая часть.

История атома и радиоактивности. Строение атома.

Предположение о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, было высказано древнегреческими философами Левкиппом и Демокритом примерно 2500 тысячи лет назад. Эти частицы получили названия «атом», что означает «неделимые». Атом – это мельчайшая частица вещества, простейшая, не имеющая составных частей.

Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы.

Наиболее ярким свидетельством сложного строения атома явилось открытие явления радиоактивности , сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году. Он обнаружил, что химический элемент уран самопроизвольно (т.е. без внешних взаимодействий) излучает ранее неизвестные невидимые лучи, которые позже были названы радиоактивным излучением . Поскольку радиоактивное излучение обладало необычными свойствами, многие учёные занялись его исследованием. Оказалось, что не только уран, но и некоторые другие химические элементы (например, радий) тоже самопроизвольно испускают радиоактивные лучи. Способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению стали называть радиоактивностью (от лат. radio – излучаю и activus – действенный).

Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом. В конце февраля 1896 года на заседании Французской академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ. Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена пластинка, на которой лежала урановая соль, не облучённая солнечным светом. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. Тогда Беккерель стал испытывать разные соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.

Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий. Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.

В 1899 году в результате опыта, проведённого под руководством английского физика Эрнеста Резерфорда, было обнаружено, что радиоактивное излучение радия неоднородно, т.е. имеет сложный состав. В середине расположен поток (излучение), не имеющее электрического заряда, а по бокам выстраивались 2 потока заряженных частиц. Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами, представляющими собой полностью ионизированные атомы гелия, а отрицательно заряженные – бета-частицы, представляющие собой элетроны. Нейтральные получили название гамма-частицы или гамма-кванты. Гамма-излучение, как выяснилось позже, представляет собой один из диапазонов электромагнитного излучения.

Поскольку было известно, что атом в целом нейтрален, явление радиоактивности позволило учёным создать примерную модель атома. Первым, кто это сделал, был английский физик Джозеф Джон Томсон, создавший одну из первых моделей атома в 1903 году. Модель представляла собой шар, по всему объёму которого был равномерно распределён положительный заряд. Внутри шара находились электроны, каждый их которых мог совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Модель напоминала по форме и строению кекс с изюмом. Положительный заряд равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому заряд атома в целом равен нулю.

Модель строения атома Томсона нуждалась в экспериментальной проверке, которой занялся в 1911 году Резерфорд. Он провёл опыты и пришёл к выводу, что модель атома представляет собой шар, в центре которого расположено положительно заряженное ядро, занимающее малый объём от всего атома. Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше. Атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарному заряда электронов. Резерфорд также установил, что ядро атома имеет диаметр примерно 10 -14 – 10 -15 м, т.е. оно в сотни тысяч раз меньше атома. Именно ядро претерпевает изменение при радиоактивных превращениях, т.е. радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц. Чтобы зарегистрировать (увидеть) частицы, в 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер изобрёл так называемый счётчик Гейгера.

Позже положительно заряженные частицы в атоме получили название протонов, а отрицательные – нейтронов. Протоны и нейтроны получили общее название нуклоны.

Деление урана. Цепная реакция .

Деление ядер урана при его бомбардировке нейтронами было открыто в 1939 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

Рассмотрим механизм этого явления. Поглотив лишний нейтрон, ядро приходит в действие и деформируется, приобретая вытянутую форму.

В ядре действует 2 вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают 2-3 нейтрона. Часть внутренней энергии переходит в кинетическую. Осколки ядра быстро тормозят в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию среды. При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура возрастают. Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду. Энергия колоссальна. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделится при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую используют цепные реакции деления ядер, основанные на том, что 2-3 нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, могут принять участие в делении других ядер, которые их захватят. Для поддержания непрерывности цепной реакции важно учитывать массу урана. Если масса урана слишком мала, то нейтроны вылетают за его пределы, не встречая на своём пути ядро. Цепная реакция прекращается. Чем больше масса куска урана, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. Вероятность встречи нейтронов с ядрами атомов возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов. Число появившихся после деления ядер нейтронов равно числу потерянных нейтронов, поэтому реакция может продолжаться длительное время. Чтобы реакция не прекращалась, нужно брать массу урана определённого значения – критическую. Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

Ядерный реактор. Ядерная реакция. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию.

Ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор, названный СР-1, построен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. В настоящее время, по данным МАГАТЭ, в мире насчитывается 441 реактор в 30 странах. Также ведётся строительство ещё 44 реакторов.

В ядерном реакторе в качестве делящегося вещества используется в основном уран-235. Такой реактор называется реактором на медленных нейтронах. Замедлителем нейтронов могут выступать разные вещества:

1. Вода . Достоинства обычной воды как замедлителя - её доступность и дешевизна. Недостатками воды являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана.
2. Тяжёлая вода . Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Недостатком тяжёлой воды является её высокая стоимость.
3. Графит . Реакторный графит получают искусственно из смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы. Сначала из смеси прессуют блоки, а затем эти блоки термически обрабатывают при высокой температуре. Графит имеет плотность 1,6-1,8 г/см3. Он сублимирует при температуре 3800-3900 °C. Нагретый в воздухе до 400 °C графит загорается. Поэтому в энергетических реакторах он содержится в атмосфере инертного газа (гелий, азот).
4. Бериллий . Один из лучших замедлителей. Он имеет высокую температуру плавления (1282 °C) и теплопроводность, совместим с углекислым газом, водой, воздухом и некоторыми жидкими металлами. Однако, в пороговой реакции возникает гелий, поэтому при интенсивном облучении быстрыми нейтронами внутри бериллия накапливается газ, под давлением которого бериллий распухает. Применение бериллия ограничено также его высокой стоимостью. Кроме того, бериллий и его соединения весьма токсичны. Из бериллия изготавливают отражатели и вытеснители воды в активной зоне исследовательских реакторов.

Части реактора на медленных нейтронах : в активной зоне расположено ядерное топливо в виде урановых стержней и замедлитель нейтронов (например, вода), отражатель (слой вещества, который окружает активную зону) и защитная оболочка из бетона. Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглощающие нейтроны. Для запуска реактора их постепенно выводят из активной зоны. Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов водорода и кислорода, отдают им часть своей кинетической энергии. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое-то время опять попадают в урановые стержни и участвуют в делении ядер. Активная зона с помощью труб соединяется с теплообменником, образуя первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают в нём циркуляцию воды. Нагретая вода проходит через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура и превращает её в пар. Таким образом, вода в активной зоне служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло. После энергия пара в змеевике преобразуется в электрическую энергию. Посредством пара вращается турбина, которая приводит в движение ротор генератора электрического тока. Отработанные пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Затем весь цикл повторяется.

Ядерный двигатель использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Традиционный ЯД в целом представляет собой конструкцию из ядерного реактора и собственно двигателя. Рабочее тело (чаще - аммиак или водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Атомная энергетика.

Атомная энергетика - область техники, основанная на использовании реакции деления атомных ядер для выработки теплоты и производства электроэнергии. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС.

Первый европейский реактор был создан в 1946 году в Советском Союзе под руководством Игоря Васильевича Курчатова. В 1954 году в Обнинске была введена в действие первая АЭС. Преимущества АЭС:

1. Главное преимущество - практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Эксплуатация АЭС обходится значительно дешевле, чем ТЭС. Правда, строительство ТЭС дешевле, чем строительство АЭС.
2. Огромным преимуществом АЭС является её относительная экологическая чистота. На ТЭС суммарные годовые выбросы вредных веществ составляют примерно 13 000 т в год на газовых и 165 000 т на пылеугольных ТЭС. Подобные выбросы на АЭС полностью отсутствуют. ТЭС потребляет 8 миллионов т кислорода в год для окисления топлива, АЭС же не потребляют кислорода вообще. Кроме того, больший удельный выброс радиоактивных веществ даёт угольная станция. В угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, при сжигании угля они практически полностью попадают во внешнюю среду. Большинство радионуклидов с ТЭС долгоживущие. Большая часть радионуклидов с АЭС довольно быстро распадается, превращаясь в нерадиоактивные.
3. Для большинства стран, в том числе и России, производство электроэнергии на АЭС не дороже, чем на пылеугольных и тем более газомазутных ТЭС. Особенно заметно преимущество АЭС в стоимости производимой электроэнергии во время так называемых энергетических кризисов, начавшихся с начала 70-х годов. Падение цен на нефть автоматически снижает конкурентоспособность АЭС.

Применение ядерных двигателей в современности.

По мере развития ядерной физики все отчетливее вырисовывалась перспектива создания атомных энергетических установок. Первый практический шаг в этом направлении сделал Советский Союз, где в 1954г. была построена атомная электростанция.

В 1959г. под флагом СССР вступило в строй первое в мире атомное судно - ледокол «Ленин», который успешно проводил караваны торговых судов в тяжелых условиях Заполярья.

В последние годы XIX века заступили на арктическую вахту мощные советские атомные ледоколы «Арктика» и «Сибирь»...

Особенно большие возможности атомная энергетика открыла для подводных лодок, позволив решить две наиболее актуальные проблемы - увеличения подводной скорости и увеличения длительности плавания под водой без всплытия. Ведь самые совершенные дизель-электрические подводные лодки не могут развить под водой более 18-20 уз, да и эту скорость поддерживают лишь около часа, после чего вынуждены всплывать для зарядки аккумуляторных батарей.

В таких условиях по указанию ЦК КПСС и Советского правительства в нашей стране в кратчайший срок был создан атомный подводный флот. Советские подводные атомоходы неоднократно пересекали Северный Ледовитый океан подо льдами, всплывали в районе Северного полюса. В канун XXIII съезда КПСС группа атомных подводных лодок совершила кругосветное плавание, пройдя около 22 тыс. миль под водой без всплытия...

Основным отличием атомной подводной лодки от паросиловой является замена парового котла реактором, в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления атомов ядерного топлива с выделением тепла, используемого для получения пара в парогенераторе.

Атомная установка создала для подводных лодок реальную перспективу не только сравняться в скорости с надводными кораблями, но и превзойти их. Как мы знаем, в погруженном состоянии подводная лодка не испытывает волнового сопротивления, на преодоление которого быстроходные надводные водоизмещающие корабли затрачивают большую часть мощности энергетической установки.

Биологическое действие радиации.

Радиация по самой своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут “запустить” не до конца еще изученную цепь событий, приводящих к раку или генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Раковые заболевания, однако, проявляются спустя много лет после облучения, - как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. А врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, по определению проявляются лишь в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки индивидуума, подвергшегося облучению.

В зависимости от вида излучений, дозы облучения и его условий возможны различные виды лучевого поражения. Это острая лучевая болезнь (ОЛБ) - от внешнего облучения, ОЛБ - от внутреннего облучения, хроническая лучевая болезнь, различные клинические формы с преимущественно локальным поражением отдельных органов, которые могут характеризоваться острым, подострым или хроническим течением; это отдаленные последствия, среди которых наиболее существенно возникновение злокачественных опухолей; дегенеративные и дистрофические процессы (катаракта, стерильность, cклеротические изменения). Сюда же относят генетические последствия, наблюдаемые у потомков облученных родителей. Вызывающие их развитие ионизирующие излучения, благодаря высокой проникающей способности воздействуют на ткани, клетки, внутриклеточные структуры, молекулы и атомы в любой точке организма.

Живые существа на воздействие излучений реагируют различно, причем развитие лучевых реакций во многом зависит от дозы излучений. Поэтому целесообразно различать: 1) воздействие малых доз, примерно до 10 рад; 2) воздействие средних доз, обычно применяемых с терапевтическими целями, которые граничат своим верхним пределом с воздействием высоких доз. При воздействии излучении различают реакции, возникающие немедленно, ранние реакции, а также поздние (отдаленные) проявления. Конечный результат облучения часто во многом зависит от мощности дозы, различных условий облучения и особенно от природы излучений. Это относится также к области применения излучений в клинической практике с лечебными целями.

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно - на младенцев, детей и подростков.

Рак - наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах. Обширные обследования, охватившие 100000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показали, что пока рак является единственной причиной повышенной смертности в этой группе населения.

Заключение.

Проведя исследование, мы выяснили, что ядерное топливо и ядерные двигатели приносят огромную пользу человеку. Благодаря ним человек нашёл дешёвые источники тепла и энергии (одна АЭС заменяет человеку несколько десятков, а то и сотен обычных ТЭС), смог попасть через льды на Северный Полюс и опуститься на дно океана. Но всё это работает только тогда, когда правильно применяется, т.е. в нужном количестве и только в мирных целях. Немало было зарегистрировано случаев взрывов АЭС (Чернобыль, Фукусима) и взрывы атомных бомб (Хиросима и Нагасаки).

Но от последствий радиоактивных отходов никто не защищён. Многие люди страдают от лучевых болезней и рака, вызванных радиоактивным излучением. Но мы думаем, что через несколько лет учёные придумают методы утилизации радиоактивных отходов без вреда для здоровья и изобретут лекарства от всех этих болезней.

Список используемой литературы.

1. А. В. Пёрышкин, Е. М. Гутник. «Учебник по физике для 9 класса».
2. Г. Кесслер. «Ядерная энергетика».
3. Р. Г. Перельман. «Ядерные двигатели».
4. Э. Резерфорд. «Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение».
5. https://ru.wikipedia.org

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него:

Ядерная реакция (ЯР) - процесс, в котором ядро атома изменяется путем дробления или соединения с ядром другого атома. Таким образом, она должна приводить к превращению по меньшей мере одного нуклида в другой. Иногда, если ядро взаимодействует с другим ядром или частицей без изменения природы какого-либо нуклида, процесс относится к ядерному рассеянию. Пожалуй, наиболее заметными являются реакции легких элементов, которые влияют на производство энергии звезд и Солнца. Естественные реакции происходят также во взаимодействии космических лучей с веществом.

Природный ядерный реактор

Наиболее заметной контролируемой человеком реакцией является реакция деления, которая происходит в Это устройства для инициирования и контроля ядерной цепной реакции. Но существуют не только искусственные реакторы. Первый природный ядерный реактор в мире был обнаружен в 1972 году в Окло в Габоне французским физиком Фрэнсисом Перрином.

Условия, в которых могла вырабатываться природная энергия ядерной реакции, были предсказаны в 1956 году Полом Кадзуо Курода. Единственное известное место в мире состоит из 16 участков, в которых происходили самоподдерживающиеся реакции подобного типа. Как полагают, это было приблизительно 1,7 миллиарда лет назад и продолжалось в течение нескольких сотен тысяч лет, что было подтверждено наличием изотопов ксенона (газообразного продукта деления) и различным отношением U-235/U-238 (обогащение природного урана).

Ядерное деление

График энергии связи предполагает, что нуклиды с массой больше 130 а.е.м. должны спонтанно отделиться друг от друга, чтобы сформировать более легкие и стабильные нуклиды. Экспериментально ученые установили, что спонтанные реакции деления элементов ядерной реакции происходят только для самых тяжелых нуклидов с массовым числом 230 или более. Даже если это осуществляется, то очень медленно. Период полураспада для спонтанного деления 238 U, например, составляет 10-16 лет, или примерно в два миллиона раз дольше, чем возраст нашей планеты! Облучением образцов тяжелых нуклидов медленными тепловыми нейтронами можно индуцировать реакции деления. Например, когда 235 U поглощает тепловой нейтрон, он разбивается на две частицы с неравномерной массой и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона.

Поглощение нейтрона 238 U индуцирует колебания в ядре, которые деформируют его до тех пор, пока он не расколется на фрагменты так, как капля жидкости может разлететься на более мелкие капельки. Более чем 370 дочерних нуклидов с атомными массами между 72 и 161 а.е.м. образуются при делении на тепловом нейтроне 235U, включая два продукта, показанных ниже.

Изотопы ядерной реакции, такие как уран, подвергаются индуцированному делению. Но единственный природный изотоп 235 U присутствует в изобилии всего 0,72 %. Индуцированное деление этого изотопа высвобождает в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов килоджоулей на грамм 235 U. Притяжение ядерного деления как источника энергии можно понять, сравнивая это значение с 50 кДж/г, высвобождающимися, когда сжигается природный газ.

Первый ядерный реактор

Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и сотрудниками под футбольным стадионом ввели его в эксплуатацию 2 декабря 1942 года. Этот реактор, который производил несколько киловатт энергии, состоял из кучи графитовых блоков весом 385 тонн, уложенных слоями вокруг кубической решетки из 40 тонн урана и оксида урана. Спонтанное деление 238 U или 235 U в этом реакторе вызывало очень малое количество нейтронов. Но достаточно было урана, так что один из этих нейтронов индуцировал 235 U, тем самым высвободив в среднем 2,5 нейтрона, которые катализировали деление дополнительных ядер 235 U в цепной реакции (ядерные реакции).

Количество расщепляющегося материала, необходимого для поддержания цепной реакции, называется Зеленые стрелки показывают раскол ядра урана в двух осколках деления, испускающих новые нейтроны. Некоторые из этих нейтронов могут вызывать новые реакции деления (черные стрелки). Некоторые из нейтронов могут быть потеряны в других процессах (синие стрелки). Красные стрелки показывают задержанные нейтроны, которые поступают позже из радиоактивных осколков деления и могут вызывать новые реакции деления.

Обозначение ядерных реакций

Рассмотрим основные свойства атомов, включая атомное число и атомную массу. Атомный номер представляет собой число протонов в ядре атома, а изотопы имеют одинаковый атомный номер, но различаются по числу нейтронов. Если начальные ядра обозначаются а и b, а ядра произведения обозначаются с и d, то реакция может быть представлена уравнением, которое вы можете видеть ниже.

Какие ядерные реакции вместо использования полных уравнений сокращаются для легких частиц? Во многих ситуациях для описания таких процессов используется компактная форма: a (b, c) d эквивалентно a + b, производящему c + d. Легкие частицы часто сокращаются: обычно p означает протон, n - нейтрон, d - дейтрон, α - альфа-частицу, или гелий-4, β - бета-частицу, или электрон, γ - гамма-фотон и т. д.

Виды ядерных реакций

Хотя число возможных таких реакций огромно, их можно сортировать по типам. Большая часть таких реакций сопровождается гамма-излучением. Вот некоторые примеры:

1. Упругое рассеяние. Происходит, когда энергия между ядром-мишенью и падающей частицей не передается.
2. Неупругое рассеяние. Происходит, когда энергия передается. Разность кинетических энергий сохраняется в возбужденном нуклиде.
3. Реакции захвата. Как заряженные, так и нейтральные частицы могут захватываться ядрами. Это сопровождается излучением ɣ-лучей. Частицы ядерных реакций при реакции нейтронного захвата называются радиоактивными нуклидами (индуцированная радиоактивность).
4. Реакции передачи. Поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц, называется реакцией переноса.
5. Реакции деления. Ядерное деление является реакцией, в которой ядро атома расщепляется на более мелкие части (более легкие ядра). Процесс деления часто приводит к образованию свободных нейтронов и фотонов (в виде гамма-лучей) и высвобождает большое количество энергии.
6. Реакции слияния. Происходят, когда два или более атомных ядра сталкиваются с очень высокой скоростью и объединяются, образуя новый тип атомного ядра. Частицы ядерных реакций слияния дейтерия и трития особенно интересны из-за их потенциала обеспечения энергии в будущем.
7. Реакции расщепления. Происходят, когда ядро поражается частицей с достаточной энергией и импульсом, чтобы выбить несколько мелких фрагментов или разбить ее на многие фрагменты.
8. Реакции перегруппировки. Это поглощение частицы, сопровождающееся испусканием одной или нескольких частиц:

• 197Au (p, d) 196mAu
• 4He (a, p) 7Li
• 27Al (a, n) 30P
• 54Fe (a, d) 58Co
• 54Fe (a, 2 n) 56Ni
• 54Fe (32S, 28Si) 58Ni

Различные реакции перегруппировки меняют количество нейтронов и число протонов.

Ядерный распад

Ядерные реакции происходят, когда нестабильный атом теряет энергию за счет излучения. Он является случайным процессом на уровне одиночных атомов, поскольку в соответствии с квантовой теорией невозможно предсказать, когда отдельный атом будет распадаться.

Существует много видов радиоактивного распада:

1. Альфа-радиоактивность. Частицы Alpha состоят из двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе с частицей, идентичной ядру гелия. Из-за очень большой массы и ее заряда он сильно ионизирует материал и имеет очень короткий диапазон.
2. Бета-радиоактивность. Она представляет собой высокоэнергетические высокоскоростные позитроны или электроны, излучаемые некоторыми типами радиоактивных ядер, таких как калий-40. Бета-частицы имеют больший диапазон проникновения, чем альфа-частицы, но все же намного меньше, чем гамма-лучи. Выброшенные бета-частицы представляют собой форму ионизирующего излучения, также известного как бета-лучи цепной ядерной реакции. Получение бета-частиц называется бета-распадом.
3. Гамма-радиоактивность. Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение очень высокой частоты и, следовательно, являются фотонами высокой энергии. Они образуются при распаде ядер при их переходе из состояния высокой энергии в более низкое состояние, известное как гамма-распад. Большая часть ядерных реакций сопровождается гамма-излучением.
4. Нейтронная эмиссия. Нейтронная эмиссия представляет собой тип радиоактивного распада ядер, содержащих избыточные нейтроны (особенно продукты деления), в которых нейтрон просто выбрасывается из ядра. Этот тип излучения играет ключевую роль в управлении ядерными реакторами, потому что эти нейтроны являются задержанными.

Энергетика

Q-значение энергии ядерной реакции - это количество энергии, выделяемой или поглощенной во время реакции. Называется или Q-значением реакции. Эта энергия выражается как разница между кинетической энергией продукта и величиной реагента.

Общий вид реакции: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), где x и X являются реагентами, а y и Y - продуктом реакции, которые могут определить энергию ядерной реакции, Q - энергетический баланс.

Q-значение ЯР означает энергию, высвобождаемую или поглощенную в реакции. Она также называется энергетическим балансом ЯР, который может быть положительным или отрицательным в зависимости от характера.

Если Q-значение положительно, реакция будет экзотермической, ее также называют экзоэргической. Она высвобождает энергию. Если Q-значение отрицательно, реакция является эндоэргической, или эндотермической. Такие реакции осуществляются за счет поглощения энергии.

В ядерной физике подобные реакции определяются Q-значением, как разность между суммой масс исходных реагентов и конечных продуктов. Измеряется в энергетических единицах МэВ. Рассмотрим типичную реакцию, в которой снаряд a и цель A уступают двум продуктам B и b.

Это может быть выражено так: а + A → B + B , или даже в более компактной записи - А (а, б) B. Виды энергий в ядерной реакции и значение этой реакции определяется по формуле:

Q = c 2,

что совпадает с избыточной кинетической энергией конечных продуктов:

Q = T final - T начальный

Для реакций, в которых наблюдается увеличение кинетической энергии продуктов, Q - положительно. Положительные Q-реакции называются экзотермическими (или экзогенными).

Существует чистое выделение энергии, так как кинетическая энергия конечного состояния больше, чем в начальном состоянии. Для реакций, в которых наблюдается уменьшение кинетической энергии продуктов, Q - отрицательно.

Период полураспада радиоактивного вещества является характерной константой. Он измеряет время, необходимое для того, чтобы определенное количество вещества уменьшилось наполовину вследствие распада и, следовательно, излучения.

Археологи и геологи используют период полураспада до настоящего времени в отношении органических объектов в процессе, известном как датирование углерода. Во время бета-распада углерод 14 превращается в азот 14. Во время смерти организмы перестают производить углерод 14. Поскольку период полураспада является постоянным, отношение углерода 14 к азоту 14 обеспечивает измерение возраста образца.

В медицинской области источниками энергии ядерных реакций являются радиоактивные изотопы Кобальта 60, который использовался для лучевой терапии по сокращению опухолей, которые впоследствии будут удалены хирургическим путем, или для уничтожения раковых клеток в неоперабельных опухолях. Когда он распадается на стабильный никель, то испускает две относительно высоких энергии - гамма-излучения. Сегодня он заменяется системами лучевой терапии электронным пучком.

Период полураспада изотопов от некоторых образцов:

• кислород 16 - бесконечный;
• уран 238 - 4 460 000 000 лет;
• уран 235 - 713 000 000 лет;
• углерод 14 - 5 730 лет;
• кобальт 60 - 5,27 года;
• серебро 94 - 0,42 секунды.

Радиоуглеродное датирование

При очень устойчивой скорости неустойчивый углерод 14 постепенно распадается на углерод 12. Соотношение этих изотопов углерода показывает возраст некоторых самых старых жителей Земли.

Радиоуглеродное датирование - это метод, который обеспечивает объективные оценки возраста материалов на основе углерода. Возраст можно оценить, измеряя количество углерода 14, присутствующего в образце, и сравнивая его с международным стандартным эталоном.

Влияние метода радиоуглеродного датирования в современном мире сделало его одним из самых значительных открытий XX века. Растения и животные ассимилируют углерод 14 из углекислого газа на протяжении всей жизни. Когда они умирают, то перестают обменивать углерод с биосферой, а содержание углерода 14 в них начинает снижаться со скоростью, определяемой законом радиоактивного распада.

Радиоуглеродное датирование - по существу метод, предназначенный для измерения остаточной радиоактивности. Зная, сколько углерода 14 осталось в образце, можно узнать возраст организма, когда он умер. Следует отметить, что результаты радиоуглеродного датирования показывают, когда организм был жив.

Основные методы измерения радиоуглерода

Существуют три основных метода, используемых для измерения содержания углерода 14 в любом заданном пропорциональном расчете пробоотборника, жидком сцинтилляционном счетчике и масс-спектрометрии ускорителя.

Пропорциональный счет газа представляет собой обычную радиометрическую методику датирования, которая учитывает бета-частицы, испускаемые данным образцом. Бета-частицы являются продуктами распада радиоуглерода. В этом методе образец углерода сначала преобразуется в газообразный диоксид углерода перед измерением в газовых пропорциональных счетчиках.

Сцинтилляционный подсчет жидкостей - еще один метод радиоуглеродного датирования, который был популярен в 1960-х годах. В этом методе образец находится в жидкой форме, и добавляется сцинтиллятор. Этот сцинтиллятор создает вспышку света, когда он взаимодействует с бета-частицей. Пробирку с образцом пропускают между двумя фотоумножителями, и когда оба устройства регистрируют вспышку света, производится подсчет.

Преимущества ядерной науки

Законы ядерных реакций используют в широком диапазоне отраслей науки и техники, таких как медицина, энергетика, геология, космос и защита окружающей среды. Ядерная медицина и радиология - это медицинские методы, которые включают использование радиации или радиоактивности для диагностики, лечения и профилактики заболеваний. В то время как радиология использовалась почти столетие, термин «ядерная медицина» начал применяться около 50 лет назад.

Ядерная энергия используется в течение десятилетий и является одним из самых быстрорастущих энергетических вариантов для стран, стремящихся к энергетической безопасности и энергосберегающим решениям с низким уровнем выбросов.

Археологи используют широкий спектр ядерных методов для определения возраста предметов. Артефакты, такие как Туринская плащаница, Свитки Мертвого моря и Корона Карла Великого, могут быть датированы, и их подлинность проверена с использованием ядерных методов.

Ядерные методы используются в сельскохозяйственных сообществах для борьбы с болезнями. Радиоактивные источники широко применяются в горнодобывающей промышленности. Например, они используются при неразрушающих испытаниях закупорки трубопроводов и сварных швов, в измерении плотности пробиваемого материала.

Ядерная наука играет ценную роль, помогая нам понять историю нашей окружающей среды.

Как и химические реакции, ядерные реакции могут быть эндотермическим и экзотермическим .

Ядерные реакции подразделяются на реакции распада и реакции синтеза. Особым типом ядерной реакции является деление ядра . Сроки распад ядра и деление ядра означают совершенно разные типы реакций [ ].

1. История

Первую искусственно вызванной ядерной реакции наблюдал в году Эрнест Резерфорд , облучая альфа-частицами азот . Реакция проходила по схеме

.

2. Законы сохранения при ядерных реакциях

Во время ядерных реакций выполняются общие законы сохранения энергии , импульса , момента импульса и электрического заряда .

Кроме того, существует ряд особых законов сохранения, присущих ядерной взаимодействия, например, закон сохранения барионного заряда.

3. Энергетический выход ядерной реакции

Если сумма масс покоя частиц в реакции больше суммы масс покоя частиц после реакции, то такая реакция происходит с выделением энергии. Такую энергию называют энергетическим выходом ядерной реакции. Энергетический выход ядерной реакции вычисляется по формуле ΔE = Δmc 2, где Δm - дефект массы , c - скорость света .

4. Виды ядерных реакций

4.1. Ядерные реакции синтеза

Во время ядерных реакций синтеза из легких ядер элементов образуются новые, более тяжелые ядра.

Обычно реакции синтеза возможны только в условиях, когда ядра имеют большую кинетическую энергию, поскольку силы электростатического отталкивания препятствуют сближению одинаково заряженных ядер, создавая так называемый кулоновский барьер.

Искусственным путем этого удается достичь с помощью ускорителей заряженных частиц , в которых ионы, протоны или α-частицы ускоряют электрическим полем, или термоядерных реакторов, где ионы вещества приобретают кинетической энергии за счет теплового движения. В последнем случае речь ведут о реакции термоядерного синтеза.

4.1.1. Ядерный синтез в природе

В природе реакции синтеза начались в первые минуты после Большого взрыва . Во время первичного нуклеосинтеза из протонов образовались лишь некоторые легкие ядра (дейтерия , гелия , лития).
Сейчас ядерные реакции происходят в ядрах звезд, например, в Солнце . Основным процессом является образование ядра гелия из четырех протонов, что может происходить или в протон-протонном цепочке , или в цикле Бете-Вайцзекера .

В звездах, масса которых превышает половину M ☉ , могут образовываться и другие, более тяжелые элементы. Этот процесс начинается с образования ядер углерода в тройной α-реакции . Образующиеся ядра взаимодействуют с протонами и α-частицами и, таким образом, образуются химические элементы до железного пика.

Образование тяжелых ядер (от железа в Висмут) происходит в оболочках достаточно массивных звезд на стадии красного гиганта основном благодаря s-процесса и, частично, благодаря p-процесса . Наважчи (нестабильные) ядра образуются во время вспышек сверхновых .

4.2. Ядерные реакции распада

Реакциями распада обусловлено альфа-и бета-радиоактивность. При альфа-распаде из ядра вылетает альфа-частица 4 He, а массовое число и зарядовое числа ядра меняются на 4 и 2 соответственно. При бета-распаде из ядра вылетает электрон или позитрон, массовое число ядра не меняется, а зарядовое увеличивается или уменьшается на 1. Оба типа распада происходят спонтанно.

4.3. Деление ядра

Небольшое количество изотопов способна к делению - реакции при которой ядро ​​делится на две большие части. Деление ядра может происходить как спонтанно, так и вынужденно - под воздействием других частиц, в основном - нейтронов.

Года было выявлено, что ядра урана-235 способны не только к спонтанному делению (на два легких ядра) с выделением ~ 200 МэВ энергии и излучением двух-трех нейтронов, но и к вынужденного деления, инициируемое нейтронами. Учитывая, что в результате такого разделения тоже излучаются нейтроны, которые могут вызвать новые реакции вынужденного деления соседних ядер урана, стала очевидной возможность цепной ядерной реакции. Такая реакция не происходит в природе лишь потому, что природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238, а в реакции деления способен только уран-235, которого в природном уране содержится всего 0,7%.

Механизм ядерной реакции деления заключается в следующем. Ядерные силы через взаимодействие обменными виртуальными частицами (в большинстве случаев происходит пион -нуклонного взаимодействие), имеют нецентральных характер. Это означает, что нуклоны не могут взаимодействовать одновременно со всеми нуклонами в ядре, особенно в багатонуклонних ядрах. При большом количестве нуклонов в ядре это вызывает асимметрию плотности ядерных сил и дальнейшей асимметрию нуклонного связи, а следовательно, и асимметрию энергии по объему ядра. Ядро приобретает форму, которая существенно отличается от шарообразной. В таком случае электростатическое взаимодействие между протонами может по величине энергии приближаться к сильного взаимодействия.

Таким образом, вследствие асимметрии, энергетический барьер деления преодолевается, и ядро ​​распадается на более легкие ядра, асимметричные по массе.

Иногда ядро ​​может туннелировать в состояние с меньшей энергией.

5. Ядерные реакции в жизни человека

5.1. Атомная бомба

Цепную реакцию деления атомных ядер в ХХ веке стали применять в атомных бомбах. Из-за того, что для интенсивной ядерной реакции необходимо иметь критическую массу (массу, необходимую для развития цепной реакции), то для осуществления атомного взрыва несколько частей с массами меньше критической, соединяются, образуется сверхкритическая масса и в ней возникает цепная реакция деления, сопровождающаяся высвобождением большого количества энергии - происходит атомный взрыв.

5.2. Ядерный реактор

Для преобразования тепловой энергии распада ядер в электрическую энергию используют ядерный реактор. Как топливо в реакторе применяется смесь изотопов урана-235 и урана-238 или плутоний-239. При попадании быстрых нейтронов к ядру атома урана-238 происходит его превращение в плутоний -239 и его последующий распад с высвобождением энергии. Процесс может быть циклическим, однако для этого необходимы реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Сейчас же как основной компонент в реакторах применяется нуклид урана-235. Для его взаимодействия с быстрыми нейтронами необходимо их замедление. Как замедлитель применяют:

По типу используемой воды в реакторах, D 2 O или H 2 O, реакторы делятся на тяжеловодных и легководяни соответственно. В тяжеловодных реакторах в качестве горючего используется нуклид урана-238, в легководяних - Уран-235. Для управления реакцией распада и ее прекращения применяют регулировочные стержни, содержащие изотопы бора или кадмия . Энергию, которая выделяется во время цепной реакции деления, выводит теплоноситель. Поэтому он нагревается, и при попадании в воду он нагревает ее, превращая в пар (часто теплоносителем является сама вода). Пара обращает паровую турбину, которая вращает ротор генератора переменного тока.

Это незавершенная статья физики . Вы можете проекту,

Первая ядерная реакция на земле произошла в Африке около двух миллиардов лет назад. Ученые предполагают, что тогда в ходе геологических процессов была создана своего рода атомная установка мощностью 100 киловатт, которая пульсировала каждые три часа в течение 150 тыс. лет.

Следы существования этих природных ядерных реакторов были обнаружены в районе Окло африканского государства Габон в 1972 году. Ученые обнаружили, что уран в урановой руде, обнаруженной там, подвергался цепной ядерной реакции. В результате высвобождалось большое количество энергии в виде тепла – аналогичный принцип используется в современных ядерных реакторах.

При этом остается загадкой, почему ядерная реакция в Африке не привела к взрыву. На атомных электростанциях используется замедлитель ядерных реакций. Ученые считают, что в природных условиях таким замедлителям реакции стала вода горных ручьев. Вода замедляет движение нейтронов и таким образом приостанавливает ядерную реакцию. Реактор на какое-то время охлаждается, но потом под влиянием энергии нейтронов вода нагревается вновь, закипает, и ядерная реакция продолжается.

Алекс Мешик и его коллеги из университета Вашингтона в Сент-Луисе, Миссури, обнаружили большое ксенона – продукта расщепления атомного ядра – в минерале, представляющем собой фосфат алюминия, возле скал Окло. Ксенон – это газ, но во время охлаждения природного ядерного реактора часть его сохранилась в застывшем виде в фосфате алюминия. Ученые измеряют количество ксенона с тем, чтобы вычислить, насколько долгими были периоды нагревания и охлаждения ядерного реактора.

Современные ядерные реакторы производят радиоактивный ксенон и сходный с ним инертный газ криптон, но оба этих газа улетучиваются в атмосферу. Только в природных условиях эти газы удерживаются внутри кристаллической структуры фосфата. "Может, это поможет нам научиться удерживать эти газы в ядерных реакторах", – говорит Алекс Мешик.

Ядерные реакции постоянно происходят на звездах. Более того, термоядерные реакции - одна из разновидностей ядерных реакций - основной источник энергии на звездах. Однако ядерные реакции в звездах проходят медленнее, чем мы думаем, и, как следствие, сами звезды, а также галактики и вся вселенная чуть старше, чем принято считать – это вытекает из последних астрофизических экспериментов в итальянских горах Гран Сассо.

Большая часть энергии, испускаемой нашими звездами – это энергия, выделяемая при происходящей внутри них реакции слияния четырех ядер водорода с образованием ядер лития. А получаемые ядра лития вовлекаются в так называемый углерод-азот-кислородный цикл. Скорость протекания этого цикла определяется самой медленной из участвующих в нем реакций, той, которая приводит к образованию ядер кислорода в результате слияния ядер азота с протоном. Добиться такого слияния искусственным образом нетрудно – считают ученые. Трудность состоит в том, чтобы сделать это на том же энергетическом уровне, что имеет место в звездах. А уровень этот относительно низок, он обеспечивает всего несколько реакций в день, благодаря чему и существует жизнь, по крайней мере, на нашей планете – иначе (при быстром взаимодействии протона с азотом) Солнце уже давно израсходовало бы свою энергию, оставив всю систему в холодной мгле. В модельных подземных экспериментах выяснилось, что углерод-азот-кислородный цикл проходит в два раза медленнее, чем предполагалось, следовательно возраст самых старых звездных скоплений, по которому судят о возрасте вселенной, увеличивается. И если по прежним подсчетам вселенной было 13 миллиардов лет, то теперь ей никак не меньше 14 миллиардов – заявляет директор лабораторий Гран Сассо Эуженио Коччиа (Eugenio Coccia).

И способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

Что такое ядерные реакции

Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

Немного истории ядерных реакций

Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

Типичная формула ядерной реакции.

Какие ядерные реакции есть в физике

В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

• деление атомных ядер
• термоядерные реакции

Ниже детально напишем о каждой из них.

Деление атомных ядер

Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деления ядер атома , продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.

Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

Вот так она выглядит на схеме.

При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

Термоядерные реакции

В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо — температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

Ядерные реакции, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.