Ядерные реакции

6. Ядерные реакции.

Ответ:Для начала вспомним основные характеристики  и строение Атома которые нам нужны для подробного разбора на данный вопрос.

Атомы состоят из положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц - электронов. Атомный номер химического элемента - это положительный заряд ядра его атома, выраженный в величинах элементарных электрических зарядов (единица = заряду электрона) Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из частиц, называемых нуклонами. Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице. Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.
Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. Но между нуклонами ядра есть более мощные ядерные силы, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.

Ядерные силы:

- Действуют только на малых расстояниях, сравнимых по величине с размерами самих нуклонов.
- Любой нуклон ядра взаимодействует лишь с непосредственными соседями.
- Два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимодействуют одинаково.

[pic 1]

Индивидуальные основные характеристики ядра - число протонов z и массовое число A, разница (A - z) определяет число нейтронов в ядре  (нуклид). Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Например, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов Д.И.Менделеева имеет порядковый номер z = 92. Изотопы любого химического элемента, имеют равное число протонов, но различные числа нейтронов.

Масса (m) и энергия (Е) - две формы существования материи, пропорционально взаимосвязанные между собой соотношением А.Эйнштейна

Е = mc2

                        Е = 1*(3*E8) *(3*E8)  = 9E16 Дж = 2.5 E10 кВт .час

В ядерной физике энергии частиц принято измерять в электрон-Вольтах(эВ).

1 эВ - это энергия, приобретаемая электроном при прохождении ускоряющей разности потенциалов в 1 В.

        1 эВ = 1.6022 E-19 Дж                                  1 Дж = 6.2414 E18 эВ.

                               Е1аем = 9.315 .108 эВ = 931.5 МэВ  

        Сумма масс покоя отдельных свободных нуклонов, составляющих ядро, несколько больше массы покоя ядра, т.к. нуклоны в ядре связаны между собой ядерными силами притяжения, и, поскольку для осуществления этой связи необходима энергия на эту связь нуклонов при образовании ядра при их сближении должна каким-то образом расходоваться часть массы самих нуклонов. Разница масс покоя составляющих ядро нуклонов и массы покоя ядра называется избытком (или дефектом) масс и обозначается Δm Энергия, потребная для разделения ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра.      

[pic 2]

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра называется удельной энергией связи. При малых значениях массовых чисел ядер величина удельной энергии связи ε с ростом A рез-ко увеличивается, достигая максимума при A = 50 . 60 а.е.м., а при дальнейшем увеличении A -плавно уменьшается

Из характера зависимости следуют две принципиальные возможности получения ядерной энергии:

СИНТЕЗ лёгких нуклидов, например, дейтерия 2D1 по схеме:

• 2D1 + 2D1 → 4He2

У дейтерия εсв = 1.11 МэВ/нуклон, следовательно, у двух ядер дейтерия, участвующих в про-цессе синтеза, суммарная энергия связи

• Есв = 2*1.11 + 2*1.11 = 4.44 МэВ.
• У продукта синтеза - гелия - εсв = 7.07 МэВ/нуклон, следовательно, энергия связи четырёх его нуклонов
• Есв = 4 .7.07 = 28.28 МэВ

Разница суммарных энергий связи гелия и двух ядер дейтерия будет

• ΔЕсв = 28.28 - 4.44 = 23.84 МэВ,

и эта энергия высвободится при синтезе ядра гелия из двух ядер дейтерия.

ДЕЛЕНИЕ ядер тяжёлых элементов, например, ядра 235U:

• 235U → 139La + 96Mo
• (одна характерная из множества возможных схем деления 235U).

У лантана Eсв = 8.4 МэВ/нуклон, у молибдена εсв = 8.5 МэВ/нуклон, следовательно, суммарная энергия связи этих двух осколков деления

• Есв = 8.4*139 + 8.5*96 = 1983.6 МэВ

У урана Eсв = 7.6 МэВ/нуклон, следовательно, суммарная энергия связи нуклонов в нём

• Есв = 7.6*235 = 1786.0 МэВ.

Разница энергий связи осколков деления урана и самого ядра урана

• ΔEсв = 1983.6 - 1786.0 = 197.6 МэВ,

и эта энергия высвободится при делении ядра урана-235 на эту пару осколков.