Теория:
Превращение одних ядер в другие происходит не только при радиоактивном распаде. Изменение состава ядра возможно и в случаях взаимодействия ядер друг с другом или с элементарными частицами.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами (или друг с другом) в другое ядро, отличное от исходного.
Первая ядерная реакция была проведена Э. Резерфордом в \(1919\) г.: расщепление ядра азота быстрой альфа-частицей:
.
В результате ядерной реакции, сопровождающейся выбросом протона, образовался изотоп кислорода.
Ядерную реакцию на быстрых (ускоренных) протонах впервые удалось осуществить в \(1932\) г.: расщепление лития на две альфа-частицы:
.
В результате реакции кинетическая энергия двух образовавшихся ядер гелия больше энергии протона. Так, часть ядерной энергии лития превратилась в кинетическую энергию разлетающихся частиц.
Ядерные реакции при участии нейтрона отличаются от остальных тем, что нейтрон не имеет заряда и свободно проникает в ядра атомов, вызывая их превращение.
Пример ядерной реакции, происходящей при бомбардировке нейтронами ядер алюминия:
.
Ядерные реакции осуществляются при выполнении законов сохранения зарядового и массового чисел.
Закон сохранения зарядового числа утверждает, что сумма зарядов всех частиц до и после реакции остаётся неизменной.
Это означает, что количество протонов, участвующих в реакции, не изменится, что, в свою очередь, объясняет стабильность различных изотопов и частиц, которые могут образовываться в результате реакции.
Закон сохранения массового числа, в свою очередь, утверждает, что сумма массовых чисел всех ядер до реакции равна сумме массовых чисел всех ядер после реакции.
Закон сохранения массового числа явно проявляется в ядерных процессах, таких как деление и синтез, где происходит преобразование различных элементов. Несмотря на то что в ядерных реакциях массы частиц могут меняться из-за высвобождения или поглощения энергии, общее массовое число остаётся постоянным, если учитывать все реагенты и продукты реакции.
Пример:
рассмотрим, как выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел на примере следующей реакции:
.
Сумма массовых чисел до реакции: \(1 + 27 = 28\).
Сумма массовых чисел после реакции: \(24 + 4 = 28\).
Сумма зарядовых чисел до реакции: \(0 + 13 = 13\).
Сумма зарядовых чисел после реакции: \(11 + 2 = 13\).
Сумма массовых чисел после реакции: \(24 + 4 = 28\).
Сумма зарядовых чисел до реакции: \(0 + 13 = 13\).
Сумма зарядовых чисел после реакции: \(11 + 2 = 13\).
Деление ядер
Деление ядер — это спонтанное деление ядра на две части.
Этот тип распада характерен для элементов, которые тяжелее урана. Продукты распада называются ядрами-осколками. Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжёлого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении.
Деление ядер урана было открыто в \(1938\) году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом, а объяснение было получено в начале \(1939\) года английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер.
Процесс деления ядра урана можно объяснить на основе капельной модели ядра.
Процесс деления ядра урана можно объяснить на основе капельной модели ядра.
Механизм деления ядер урана
В ядре действуют два вида сил: электростатические силы отталкивания протонов и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, которые уравновешивают друг друга.
Рис. \(1\). Деление ядра урана вследствие бомбардировки нейтроном |
Поглотив лишний нейтрон, ядро урана возбуждается и приобретает вытянутую форму. Ядерные силы очень короткодействующие и перестают действовать в вытянутом ядре. Благодаря отталкиванию между одноимёнными частями ядра происходит разрыв на два самостоятельных осколка, которые разгоняются в противоположных направлениях и выделяют \(2\)-\(3\) нейтрона.
Реакция деления ядер урана \(_{92}U^{235}\) происходит с выделением огромной энергии и освобождением двух-трёх нейтронов.
Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может вызвать деление соседнего ядра, которое тоже испускает нейтроны. Возникает цепная реакция.
Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может вызвать деление соседнего ядра, которое тоже испускает нейтроны. Возникает цепная реакция.
Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие её (нейтроны), образуются как продукты этой же реакции.