Процессы, в которых одни ядра переходят в другие, называют ядерны-ми превращениями. Ядерные превращения разделяют на радиоактивность (радиоактивный распад) и ядерные реакции.
При радиоактивном распаде одно ядро (оно называется материнским) превращается в одно или два дочерних вследствие самопроизвольного испускания элементарных частиц, ядер и электромагнитного излучения.
Ядерные реакции происходят тогда, когда вследствие столкновений частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил, которые и вызывают изменение ядер.
Ядерные превращения обычно записывают подобно химическим реакциям: слева записывают частицы и ядра, вступающие во взаимодействие, а справа - продукты реакции, то есть новые частицы, ядра и электромагнитное излучение. Вы уже знаете, что нуклиды обозначают символом
Элементарные частицы обозначают так:
электрон,р (или
протон,
нейтрон,
электромагнитное излучение (свет, рентгеновские лучи или у-излучение). а-частицу обозначают буквой а, или символом
Вам известно, что явление радиоактивности открыл Беккерель во время опытов с солями урана. При этом происходил
который сопровождался образованием ядер изотопа Тория
с испусканием а-частиц и у-из л учения:
Превращение ядер происходит по так называемому правилу смещения, которое впервые сформулировал английский химик Содди. При «-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, а масса уменьшается приблизительно на 4 атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы элементов:
При 0-распаде ядро приобретает дополнительный положительный заряд е, и элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы:
Например, при Р-распаде изотопа Калия
продуктом распада
является ядро изотопа Кальция
упрощенно это можно записать так:
Излучение у-частиц не сопровождается изменением заряда, масса ядра изменяется чрезвычайно мало.
Изменения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или между собой называют ядерными реакциями.
Для осуществления ядерной реакции частицы надо приблизить к ядру на расстояние около 10-15 м. Если реакция происходит под действием положительно заряженной частицы, необходимо, чтобы она имела кинетическую энергию, достаточную для преодоления действия сил электрического отталкивания. Такую энергию сообщают протонам, а-частицам и тяжелым ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов.
Известно, что единицей энергии является один джоуль, но это слишком крупная единица для записи значений энергий, характерных для элементарных ядерных процессов. Для этого обычно применяют один электрон-вольт (1 эВ), один килоэлектрон-вольт (1 кэВ) и один мегаэлектрон-вольт (1 МэВ). Один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон, ускоряясь в электрическом поле при напряжении один вольт.
Исторически первой ядерной реакцией, осуществленной человеком, была реакция превращения ядра Нитрогена в ядро Оксигена в опытах Резерфорда в 1919 г.:
Для осуществления ядерных реакций ускоренные частицы более эффективны, чем а-частицы, испускаемые природными радиоактивными элементами. Во-первых, им можно сообщить значительно большую энергию (порядка 105 МэВ), чем у обычных а-частиц с энергией 9 МэВ. Во-вторых, можно использовать протоны, которые при радиоактивном распаде не образуются (так как их заряд в два раза меньше заряда а-частиц, то сила, действующая на протоны со стороны ядер, тоже в два раза меньше). В-третьих, можно ускорять ядра, которые тяжелее ядер Гелия.
Первое превращение атомных ядер с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, осуществлено в 1932 г., когда удалось расщепить Литий на две а-частицы:
Открытие нейтрона стало поворотным пунктом в исследованиях ядерных реакций. Поскольку нейтроны не имеют заряда, то они без
препятствий проникают в атомные ядра и вызывают их превращения. Например, происходит следующая реакция:
Великий итальянский физик Энрико Ферми, первым начавший изучать реакции с использованием нейтронов, обнаружил, что ядерные превращения вызывают даже медленные нейтроны. Причем эти медленные нейтроны эффективнее, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны целесообразно сначала замедлять. Замедляются нейтроны до тепловых скоростей с помощью веществ-замедлителей, одним из которых может быть и обычная вода. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится много ядер Гидрогена - протонов, масса которых почти равна массе нейтронов. При столкновении шаров одинаковой массы кинетическая энергия передается наиболее эффективно. При центральном столкновении нейтрона с протоном он полностью передает протону свою кинетическую энергию, то есть реально замедляется до скоростей теплового движения.
Подобно химическим реакциям одни ядерные реакции происходят с выделением энергии, а другие — с поглощением (соответственно экзотермические и эндотермические реакции).
Деление атомных ядер - это особенный вид ядерных реакций, когда ядро тяжелого элемента делится на две части, одновременно испуская два-три нейтрона и у-из л учение с выделением значительной энергии.
Деление ядер Урана открыли в 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман. Им удалось установить, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа Урана
образуются элементы из средней части пе
риодической системы: Барий
и несколько нейтронов:
Но правильное толкование этого факта, именно как деления ядра Урана, захватившего нейтрон, в 1939 г. дали физики - англичанин Отто Фриш и австрийка Лиза Мейтнер.
Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра Урана
подтвердили приведенные соображения и дали значение « 200 МэВ.
Большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию ядер-осколков. Энергия, выделяющаяся при делении ядер, электростатического, а не ядерного происхождения. Ядерные силы между нуклонами короткодействующие, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Одновременно с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы не дают ядру распадаться.
Ядро Урана-235 имеет форму шара (рис. 256, а). Захватив лишний нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться, принимая вытянутую форму (рис. 256, б). Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между концами вытянутого ядра не начнут превосходить силы сцепления, действующие на перешейке (рис. 256, в). Растягиваясь все сильнее, ядро разрывается на две части (рис. 256, г).
Под действием электрических сил отталкивания эти обломки, или осколки, разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости распространения света.
Фундаментальным фактом ядерного деления является испускание в этом процессе двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому стало возможным практическое использование внутриядерной энергии. Понять, почему выделяются свободные нейтроны, можно, исходя из следующих рассуждений. Известно, что относительное количество нейтронов в стабильных ядрах возрастает с увеличением атомного номера. Поэтому в осколках, образующихся при делении, отношение числа нейтронов к числу протонов больше допустимого для ядер атомов, находящихся в середине периодической системы элементов. Вследствие этого несколько нейтронов освобождаются в процессе деления. Их энергия имеет разные значения — от нескольких мегаэлектрон-вольт до совсем малых, близких к нулю. Это позволяет осуществить цепную реакцию деления урана.
Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, при которых частицы, их вызывающие, образуются как продукты этих реакций.
Любой из нейтронов, вылетевший из ядра в процессе деления, может, в свою очередь, послужить причиной распада соседнего ядра, которое также выделяет нейтроны, способные вызвать деление. Поэтому число делящихся ядер быстро увеличивается и возникает са-моподдерживающая цепная реакция, схема которой показана на рисунке 257.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При каждом делении ядра выделяется около 200 МэВ энергии. От деления всех ядер 1 г урана выделяется 2,3 • 104 кВт • ч энергии, эквивалентной энергии, образующейся при сжигании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Цепная реакция практически осуществимая лишь на трех изотопах. Один з них
содержится в природном уране, а два других
и Плутоний
получают искусственно.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какие ядерные превращения вы знаете?
2. Что такое ядерная реакция?
3. Какие реакции называют цепными?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк