Ядерные реакции. Искусственная радиоактивность. Термоядерные реакции

1. Ядерные реакции.

• Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при их взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.

• Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил.

• Одноименно заряженные частицы отталкиваются, поэтому сближение положительно заряженных частиц возможно, если этим частицам сообщена большая кинетическая энергия.

• Для осуществления ядерных реакций используются - частицы, испускаемые радиоактивными элементами или элементарные частицы и ядра, которым сообщена большая кинетическая энергия на ускорителях.

1. Ядерные реакции под действием  - частиц.

• Первую в мире ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 г. Бомбардируя азот  - частицами, Резерфорд обнаружил появление протонов, ядер атома водорода:. Примерно одна  - частица из 10000 тысяч захватывалась ядром азота, что приводило к испусканию протона. Реакцию можно было наблюдать в камере Вильсона

• Подобные реакции проводились и с другими легкими элементами: фтор, натрий, алюминий и т.д. Все они сопровождались испусканием протонов.

• В 1932 г Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио–Кюри обнаружили, что при облучении бериллия  - частицами возникает излучение, обладающее поразительным свойством выбивать протоны из парафина, вещества содержащего водород. Ученые предполагали, что в ходе облучения бериллия  - частицами возникало - излучение.

• Дж. Чедвик, ученик Резерфорда, доказал, что в ходе этой реакции образуется углерод и нейтральная частица с массой приблизительно равной массе протона– нейтрон:. В ходе этой реакции был открыт нейтрон!

2. Ядерные реакции под действием протонов.

• Ядерные реакции под действием протонов более эффективны, т.к. у них меньше заряд и поэтому сила отталкивания со стороны ядер в два раза меньше. Во вторых можно разогнать протоны на ускорителях до энергий 10⁵ МэВ, во много раз больших энергий  - частиц.

• Первая реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. В ходе этой реакции удалось расщепить ядро лития на две  - частицы:.

1.3 Ядерные реакции на нейтронах.

• Итальянский ученый Энрико Ферми первым начал осуществлять реакции, вызываемые нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно проникают в ядра и вызывают их изменения.

• Ферми первый обнаружил, что в большинстве случаев медленные нейтроны более эффективны, чем быстрые нейтроны. Поэтому быстрые нейтроны целесообразно замедлить до тепловых скоростей. В качестве замедлителя можно использовать графит, воду. Примером реакции под действием нейтронов является следующая реакция: .

2. Энергетический выход ядерных реакций.

• Ядерные реакции могут идти с выделением и поглощением энергии. Если масса покоя ядер продуктов реакции меньше массы покоя ядер, вступающих в реакцию, то энергия выделяется. В противном случае энергия поглощается.

• Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции: или

3. Искусственная радиоактивность.

• В 1934 г Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио–Кюри обнаружили, что при облучении алюминиевой фольги  - частицами , фольга становится радиоактивной! В течении некоторого времени фольга излучала позитроны(антиэлектроны), которые фиксировались счетчиком Гейгера. Ядра испытывали превращения после прекращения облучения  - частицами. Ядерные реакции шли по схеме:. Позитроны возникали при распаде нового радиоактивного элемента - изотопа . . В этой реакции впервые в мире был получен искусственный радиоактивный изотоп. Так была открыта искусственная радиоактивность, которая впоследствии приобрела особенно важное значение. Из 2000 радиоактивных изотопов лишь около 300 природного происхождения.

4. Получение и применение радиоактивных изотопов.

• Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях.

4.1 Получение трансурановых элементов.

• С помощью ядерных реакций получены радиоактивные изотопы всех химических элементов.

• С помощью ядерных реакций получены трансурановые элементы: нептуний, плутоний и т.д. В настоящее время получены элементы с порядковыми номерами 110,111,112, не имеющие пока общепризнанных названий.

4.2 Метод меченных атомов.

• Метод основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов того же элемента. Радиоактивность является меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал действенным методом при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т.д.

• С помощью метода меченных атомов проведены исследования обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно короткое время организм подвергается полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.

• Добавлением в обычный кислород изотопа было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

• Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения. Йод интенсивно отлагается в щитовидной железе. Наблюдая при помощи счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставит диагноз.

4.3 Радиоактивные изотопы – источники излучений.

• Применяются в науке, технике, медицине как компактные источники излучений большой энергии. Главным образом используется кобальт в качестве источника  - излучения.  - излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний( кобальтовая пушка).

• Мощное  - излучение используется для исследования внутренней структуры металлически деталей с целью обнаружения в них дефектов . Например: исследуются с помощью  - излучения железнодорожные рельсы, газосварочные швы на газопроводах, нефтепроводах и т.п.

4.4 Радиоактивные изотопы в археологии.

• В растениях всегда имеется  - радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5700 лет. Он образуется а в атмосфере из азота под действием космических лучей. Соединяясь с кислородом образует углекислый газ, который поглощается растениями. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати  - частиц в минуту. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических останках, можно определить их возраст в пределах от 1000 до 100000 лет.

5. Термоядерные реакции.

• Термоядерные реакции – это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре.

• Для слияния ядер их необходимо сблизить на расстояние 10^-12 см, чтобы они попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствую кулоновские силы, которые можно преодолеть за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер.

• При слиянии легких ядер масса покоя уменьшается, следовательно должна выделятся большая энергия. Например: +17,6 МэВ.

5.1 Термоядерные реакции в звездах.

• Энергия звезд и Солнца имеет термоядерное происхождение. В центре Солнца

( Т=1,310⁷ К, =100 г/см³) происходят следующие реакции: ; ; ; . Эти реакции( так называемый протон – протонный цикл), идут с выделением энергии 26,7 МэВ, часть которой уносится с нейтрино.

• Ежесекундно в Солнце около 600 млрд. тонн водорода превращается в гелий. Запасов водорода хватит еще на 10¹⁰ лет.

• При слиянии ядер гелия образуются более тяжелые элементы. Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной.

5.2. Управляемые термоядерные реакции- практически неиссякаемый источник энергии на Земле.

• Наиболее перспективна реакция: +17,6 МэВ.

• Эта реакция будет экономически выгодна при температурах сотни миллионов градусов Кельвина при большой плотности вещества(10¹⁴-10¹⁵ частиц на 1 см³).

• При этой температуре вещество находится в плазменном состоянии. Основная трудность - удержать плазму внутри термоядерной установки в течении 1 с. Никакие стенки не выдержат столь высокой температуры. Удержать с помощью магнитного поля пока не удалось из-за неустойчивости плазмы

• Параллельно ведутся работы по осуществлению управляемого термоядерного синтеза за счет нагрева термоядерной мишени лазерными импульсами. Термоядерная мишень – полый стеклянный шарик(до 1 мм в диаметре), наполненный смесью дейтерия и трития. Под действием лазерных импульсов оболочка испаряется, вещество сжимается и нагревается до температур, при которых возможен термоядерный синтез.