Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Физика. 11 класс.

Комментарии преподавателя

Первая ядерная реакция

Ядерными реакциями называют превращение одних ядер в другие при взаимодействии с какими-то частицами.

В начале развития ядерной физики учёные располагали лишь одним «орудием» для «разбития» ядра – это альфа-частицы, которые при радиоактивном распаде излучали радиоактивные препараты.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом. Он бомбардировал атомы азота α-частицами, в результате получался кислород и вылетал протон.

Джеймс Чедвик при бомбардировке α-частицами бериллия обнаружил, что из ядра бериллия вылетает нейтрон и получается ядро углерода.

Однако α-частицы не всегда способны разбить ядро, так как они также обладают положительным зарядом и, при определённых условиях, электрическое отталкивание со стороны ядра настолько большое, что α-частица не сможет с ним столкнуться.

Рис. 1. 27-дюймовый циклотрон С. Ливингстоуна и Э. Лоуренса, разгонявший частицы до 5 МэВ (1932 г.)

Ускорители заряженных частиц. Законы сохранения при ядерных реакциях

Следующий этап исследований ядерных реакций был связан с конструированием ускорителей заряженных частиц (см. Рис. 1). В данных приборах частицы разгонялись и, вылетая из ускорителя, ударялись об исследуемые ядра. Хотя мощность первых установок была невелика, но разгонявшиеся в них протоны или дейтроны были более эффективными для создания ядерных реакций, чем α-частицы. Это объясняется тем, что протоны имеют заряд равный единице и энергия электрического отталкивания при взаимодействии с ядром у них в два раза меньше.

Впервые ускоренный протон использовали для взаимодействия с ядром лития , при этом ядро разбивалось на две α-частицы (два ядра гелия).

Данная реакция имела большой энергетический выход, около . Ещё больше энергии выделилось при реакции, в которой разогнанный ускорителем дейтрон попал в ядро лития  и также разбил его на два ядра гелия.

Характерной особенностью ядерных реакций является выполнение законов сохранения. То есть сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции. Также выполняется закон сохранения массового числа. Однако масса ядер, которые вошли в реакцию, не равны массе ядер, которые вышли из реакции. 

Энергетический выход реакции равен:

На примере предыдущей реакции:

Эта энергия распределяется между двумя α-частицами.

Каждая такая частица приобретает энергию, следовательно, приобретает скорость. Если вычислить по формулам теории относительности изменение массы этих α-частиц, то, с большой степенью точности, получим закон сохранения масс, учитывая релятивистские эффекты. То есть массу  «уносят» с собой α-частицы.

Реакции на нейтронах

Третьим этапом исследования ядерных реакций были реакции на нейтронах. Нейтрон является нейтральной частицей, поэтому он не испытывает электрического отталкивания ядра. Следовательно, реакции на нейтронах практически не требуют энергетических затрат (необходимо ждать, пока ядро захватит нейтрон при подходе последнего на расстояние ).

Одна из первых таких реакций была реакция захвата нейтрона ядром алюминия, в итоге оно распадается и образуется ядро натрия, при этом вылетает α-частица.

Задача 1

При бомбардировке ядер изотопа азота  нейтронами образуется изотоп бора . Какая ещё частица образуется в этой реакции? Варианты ответа: 1. протон; 2. 2 протона; 3. 2 нейтрона; 4. α-частица.

Решение

Зарядовое и массовое число установим по законам сохранения.

Общее зарядовое число после реакции должно быть равно 7, следовательно:

Массовое число после реакции должно быть равно 15. У бора оно равно 11, поэтому у неизвестного элемента это число – 4.

Неизвестный элемент имеет заряд равный двум, а массу – четыре. Следовательно, это α-частица.

Ответ: 4. α-частица

Термоядерная реакция

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы мощностью 57 мегатонн

Термоядерная реакция (см. Рис. 2) – реакция синтеза лёгких ядер. Синтез лёгких ядер может происходить только при высоких температурах, так как эти ядра должны разогнаться до энергии, при которой могут сблизиться на расстояние, равное радиусу ядра (). Эта энергия должна быть порядка десятков МэВ.

Например, дейтрон может провести вместе с тритием реакцию синтеза. При этом получается гелий  (очень устойчивое ядро) и выбрасывается нейтрон. Энергетический выход этой реакции равен .

Если вступает в реакцию 1 моль дейтерия (2 г) и 1 моль трития (3тг), то произойдёт  (число Авогадро) таких реакций. Следовательно, общий выход энергии будет равен:

Чтобы получить такую энергию при сжигании керосина, необходимо  топлива.

К занятию прикреплен файл  «Это интересно!». Вы можете скачать файл  в любое удобное для вас время.
Использованные источники:

• http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=7gp6p_L_ebI
• http://www.youtube.com/watch?v=71VAt25p7vg
   

Файлы