Физика (стр. 46 )

Основным правилом составления уравнений ядерных реакций является сохранение равенства в обеих частях его суммы индексов: верхних (массовых чисел) и нижних (атомных номеров). Эти равенства являются выражением законов сохранения массы и заряда частиц, участвующих в реакции.

При осуществлении ядерной реакции поток частиц с высокой энергией направляется на небольшое количество соответствующего вещества. В веществе ядра атомов расположены на расстояниях, в десятки тысяч раз превышающих диаметры самих ядер. Поэтому быстрые частицы пронизывают, главным образом, электронные оболочки атомов, в которых производят ионизацию, и только единичные частицы сталкиваются с ядрами атомов. Проходя сквозь электронные оболочки, заряженные частицы взаимодействуют с полем атомов, тормозятся и теряют энергию. Поэтому вероятность столкновений с ядром частиц, имеющих достаточно высокую энергию, необходимую для осуществления ядерной реакции, становится еще меньше.

Вероятность ядерной реакции характеризуют ее эффективным поперечным сечением , под которым понимают отношение числа n актов осуществленной реакции за одну секунду к количеству N частиц, падающих за на площади вещества, перпендикулярной потоку частиц: . Величина зависит от природы вещества, характера реакции и энергии частиц, ее вызывающих. Порядок величины эффективного сечения для различных реакций от до , т. е. из N частиц, которые действуют на вещество, только частиц в действительности вызывают реакцию.

Пример 1. Определить минимальную энергию -квантов, необходимую для расщепления ядер бериллия и ядер углерода по реакциям:

; .

Решение. Минимальная энергия -квантов, необходимая для расщепления ядер бериллия и углерода, должна быть такой, чтобы реакции прошли без выделения или поглощения энергии: . Здесь и  – выраженные в атомных единицах массы суммы масс частиц, вступивших в реакцию и образующихся в результате реакции, соответственно.

1) ; ;

2)

Пример 2. Найти энергию, выделяющуюся при ядерной реакции .

Решение. Тепловой эффект реакции равен:

.

Из таблиц (см. приложение 1) находим массы изотопов лития, водорода и гелия: ; ; . Отсюда .

5.2.2. Реакции под действием нейтронов

Большая вероятность ядерных реакций имеет место при действии на вещество нейтронов. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны проходят через электронные оболочки без потери энергии, поэтому, даже обладая весьма малой энергией, они могут проникать в ядра. Сталкиваясь с ядрами, они чаще вызывают ядерные реакции. Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить следующим образом. Поскольку между протонами и нейтронами существуют силы взаимного притяжения (ядерные силы), действующие на расстоянии 10–14¸10–15м, то быстро летящий нейтрон «проскочит» мимо ядра – протоны не успеют втянуть его в ядро. Чем медленнее движется нейтрон, тем больше времени он находится под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче он захватывается им. Поэтому поток нейтронов для осуществления реакции стараются замедлить до скоростей теплового движения.

Интересна реакция , которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, потому что он радиоактивен. Его период полураспада равен лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и участвует в круговороте веществ в природе. Количество возникающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоуглерода в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер пропорционально числу имеющихся в наличии ядер. Так как период полураспада очень велик, устанавливается равновесная концентрация ядер в обычном углероде.

Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация радиоуглерода в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно распадам в минуту на каждый грамм углерода. Пока органическое вещество живет, убыль в нем радиоуглерода восполняется за счет участия в круговороте веществ в природе. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекращается, и концентрация радиоуглерода в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию радиоуглерода в останках организма (в древесине, костях и т. п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно установлен историческими методами, дала вполне удовлетворительные результаты.

В 1939 г. была открыта реакция деления ядер урана под действием нейтронов, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: Основной интерес представляет реакция деления урана под действием медленных нейтронов, потому что простое поглощение нейтронов этим изотопом маловероятно (в отличие от ). Поглотив нейтрон, ядро урана распадается на две части, при этом вылетают два–три нейтрона с высокой энергией. Ядра новых элементов, образующихся в результате деления, получают энергию каждый.

Пример 3. Сколько энергии можно получить при расщеплении урана массой , если при расщеплении каждого ядра урана выделяется энергия

Решение. Масса изотопа урана равна (см. приложение 1):

.

Отсюда следует, что в урана содержится атомов. Значит, при расщеплении урана выделится энергия .

5.2.3. Цепная реакция

Особенностью реакции деления ядра урана является то, что она может принимать цепной характер. Цепной называется такая реакция, продукты которой способствуют ее дальнейшему распространению. Цепная реакция в зависимости от условий может быть затухающей или нарастающей. Во втором случае она может иметь характер взрыва. Цепной характер реакции деления ядра урана обусловливается тем, что при делении каждого ядра выбрасывается от 1 до 3 нейтронов, которые, попадая в соседние атомы, могут вызвать их деление. Однако нейтроны могут и не попасть в соседние ядра и выйти за пределы вещества. Вероятность столкновений нейтронов с ядрами повышается с увеличением массы вещества. Поэтому существует критическая масса урана, при которой цепная реакция становится нарастающей. Для тела в виде шара эта масса равна ~10 кг.