Was passiert mit Atomen bei Kernreaktionen? Kernreaktion

Lange Zeit wurde der Mensch von Träumen von der gegenseitigen Transformation von Elementen – genauer gesagt von der Transformation – heimgesucht verschiedene Metalle in eins. Nachdem man die Sinnlosigkeit dieser Versuche erkannt hatte, etablierte sich der Standpunkt über die Unverletzlichkeit chemischer Elemente. Und erst die Entdeckung des Aufbaus des Kerns zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte, dass die Umwandlung von Elementen ineinander möglich ist – allerdings nicht durch chemische Methoden, also durch Beeinflussung der äußeren Elektronenhüllen von Atomen, sondern durch Einmischung mit der Struktur des Atomkerns. Diese Art von Phänomen (und einige andere) bezieht sich auf Kernreaktionen, für die im Folgenden Beispiele erörtert werden. Doch zunächst müssen wir uns an einige grundlegende Konzepte erinnern, die in dieser Diskussion benötigt werden.

Allgemeines Konzept von Kernreaktionen

Es gibt Phänomene, bei denen der Kern eines Atoms des einen oder anderen Elements mit einem anderen Kern oder einem Elementarteilchen wechselwirkt, also mit ihnen Energie und Impuls austauscht. Solche Prozesse nennt man Kernreaktionen. Ihr Ergebnis kann eine Veränderung der Zusammensetzung des Kerns oder die Bildung neuer Kerne unter Ausstoß bestimmter Teilchen sein. In diesem Fall sind folgende Optionen möglich:

• eins drehen Chemisches Element zum anderen;
• Synthese, also die Verschmelzung von Kernen, bei der der Kern eines schwereren Elements entsteht.

Die Anfangsphase der Reaktion, die durch die Art und den Zustand der eintretenden Teilchen bestimmt wird, wird Eintrittskanal genannt. Ausgangskanäle sind mögliche Wege entlang derer die Reaktion ablaufen wird.

Regeln zur Aufzeichnung von Kernreaktionen

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Methoden, mit denen Reaktionen an Kernen und Elementarteilchen üblicherweise beschrieben werden.

Die erste Methode ist die gleiche wie in der Chemie: Die Ausgangspartikel werden auf der linken Seite und die Reaktionsprodukte auf der rechten Seite platziert. Beispielsweise wird die Wechselwirkung eines Beryllium-9-Kerns mit einem einfallenden Alphateilchen (die sogenannte Neutronenentdeckungsreaktion) wie folgt geschrieben:

9 4 Be + 4 2 He → 12 6 C + 1 0 n.

Die oberen Indizes geben die Anzahl der Nukleonen, also die Massenzahlen der Kerne, an, die unteren Indizes geben die Anzahl der Protonen, also die Ordnungszahlen, an. Die Summen auf der linken und rechten Seite müssen übereinstimmen.

Eine in der Physik häufig verwendete Abkürzung zum Schreiben von Kernreaktionsgleichungen sieht folgendermaßen aus:

9 4 Be (α, n) 12 6 C.

Die allgemeine Form dieser Notation ist: A (a, b 1 b 2 ...) B. Hier ist A der Zielkern; a – einfallendes Teilchen oder Kern; b 1, b 2 usw. sind leichte Reaktionsprodukte; B ist der letzte Kern.

Energie nuklearer Reaktionen

Bei Kernumwandlungen ist der Energieerhaltungssatz (zusammen mit anderen Erhaltungssätzen) erfüllt. Dabei kinetische Energie Teilchen in den Eingangs- und Ausgangskanälen der Reaktion können sich aufgrund von Änderungen der Ruheenergie unterscheiden. Da letztere der Masse der Teilchen entspricht, sind auch die Massen vor und nach der Reaktion unterschiedlich. Die Gesamtenergie des Systems bleibt jedoch immer erhalten.

Der Unterschied in der Ruheenergie zwischen den in die Reaktion eintretenden und den austretenden Teilchen wird als Energieabgabe bezeichnet und drückt sich in der Änderung ihrer kinetischen Energie aus.

An Prozessen, an denen Kerne beteiligt sind, sind drei Arten grundlegender Wechselwirkungen beteiligt – elektromagnetische, schwache und starke. Dank letzterem verfügt der Kern über eine so wichtige Eigenschaft wie eine hohe Bindungsenergie zwischen seinen Teilchenbestandteilen. Sie ist deutlich höher als beispielsweise zwischen Kern und Atomelektronen oder zwischen Atomen in Molekülen. Dies wird durch einen auffälligen Massendefekt deutlich – die Differenz zwischen der Summe der Nukleonenmassen und der Kernmasse, die immer um einen Betrag geringer ist, der proportional zur Bindungsenergie ist: Δm = Eb /c 2. Der Massendefekt wird mit der einfachen Formel Δm = Zm p + Am n – M i berechnet, wobei Z die Kernladung, A die Massenzahl, m p die Protonenmasse (1,00728 amu) und m n die Neutronenmasse (1,00866) ist amu), M i - Kernmasse.

Bei der Beschreibung von Kernreaktionen wird der Begriff verwendet spezifische Energie Bindungen (d. h. pro Nukleon: Δmc 2 /A).

Bindungsenergie und nukleare Stabilität

Die größte Stabilität, also die höchste spezifische Bindungsenergie, zeichnen sich Kerne mit einer Massenzahl von 50 bis 90 aus, beispielsweise Eisen. Diese „Höchststabilität“ ist auf die dezentrale Natur der Nuklearstreitkräfte zurückzuführen. Da jedes Nukleon nur mit seinen Nachbarn wechselwirkt, ist es an der Oberfläche des Kerns schwächer gebunden als im Inneren. Je weniger Nukleonen in einem Kern interagieren, desto geringer ist die Bindungsenergie, sodass leichte Kerne weniger stabil sind. Mit zunehmender Teilchenzahl im Kern nehmen wiederum die Coulomb-Abstoßungskräfte zwischen Protonen zu, sodass auch die Bindungsenergie schwerer Kerne abnimmt.

So sind für leichte Kerne Fusionsreaktionen unter Bildung eines stabilen Kerns mittlerer Masse am wahrscheinlichsten, also energetisch günstiger, während für schwere Kerne im Gegenteil Zerfalls- und Spaltungsprozesse (oft mehrstufig) wie folgt gelten Dadurch entstehen auch stabilere Produkte. Diese Reaktionen zeichnen sich durch eine positive und oft sehr hohe Energieausbeute aus, die mit einer Erhöhung der Bindungsenergie einhergeht.

Im Folgenden betrachten wir einige Beispiele für Kernreaktionen.

Zerfallsreaktionen

Kerne können spontane Veränderungen in Zusammensetzung und Struktur erfahren, bei denen einige Elementarteilchen oder Fragmente des Kerns emittiert werden, beispielsweise Alphateilchen oder schwerere Cluster.

Beim Alpha-Zerfall, der durch Quantentunneln ermöglicht wird, überwindet das Alpha-Teilchen also die potentielle Barriere der Kernkräfte und verlässt den Mutterkern, wodurch sich die Ordnungszahl um 2 und die Massenzahl um 4 verringert. Beispielsweise ein Radium -226-Kern, der Alphateilchen aussendet, verwandelt sich in Radon-222:

226 88 Ra → 222 86 Rn + α (4 2 He).

Die Zerfallsenergie des Radium-226-Kerns beträgt etwa 4,87 MeV.

Der Beta-Zerfall erfolgt ohne Änderung der Nukleonenzahl (Massenzahl), jedoch mit einer Zunahme oder Abnahme der Ladung des Kerns um 1, mit der Emission eines Antineutrinos oder Neutrinos sowie eines Elektrons oder Positrons. Ein Beispiel für diese Art von Kernreaktion ist der Beta-Plus-Zerfall von Fluor-18. Hier verwandelt sich eines der Protonen des Kerns in ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino werden emittiert und Fluor wird in Sauerstoff-18:

18 9 K → 18 8 Ar + e + + ν e .

Die Beta-Zerfallsenergie von Fluor-18 beträgt etwa 0,63 MeV.

Kernspaltung

Spaltreaktionen haben eine viel größere Energieausbeute. Dies ist die Bezeichnung für den Prozess, bei dem der Kern spontan oder gewaltsam in Fragmente ähnlicher Masse (normalerweise zwei, selten drei) und einige leichtere Produkte zerfällt. Ein Kern teilt sich, wenn seine potentielle Energie den Anfangswert um einen bestimmten Betrag, die sogenannte Spaltbarriere, überschreitet. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit eines spontanen Prozesses selbst für schwere Kerne gering.

Sie erhöht sich deutlich, wenn der Kern die entsprechende Energie von außen erhält (wenn ein Teilchen auf ihn trifft). Das Neutron dringt am leichtesten in den Kern ein, da es keinen elektrostatischen Abstoßungskräften ausgesetzt ist. Der Aufprall eines Neutrons führt zu einer Erhöhung der inneren Energie des Kerns, er verformt sich unter Bildung einer Taille und teilt sich. Die Fragmente zerstreuen sich unter dem Einfluss von Coulomb-Kräften. Ein Beispiel für eine Kernspaltungsreaktion ist die Absorption eines Neutrons durch Uran-235:

235 92 U + 1 0 n → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n.

Die Spaltung in Barium-144 und Krypton-89 ist nur eine der möglichen Spaltungsoptionen für Uran-235. Diese Reaktion kann als 235 92 U + 1 0 n → 236 92 U* → 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 1 0 n geschrieben werden, wobei 236 92 U* ein hoch angeregter Verbindungskern mit hoher potentieller Energie ist. Sein Überschuss wird zusammen mit der Differenz der Bindungsenergien der Mutter- und Tochterkerne hauptsächlich (ca. 80 %) in Form der kinetischen Energie der Reaktionsprodukte und teilweise auch in Form freigesetzt potenzielle Energie Spaltfragmente. Die gesamte Spaltungsenergie eines massiven Kerns beträgt etwa 200 MeV. Bezogen auf 1 Gramm Uran-235 (unter der Annahme, dass alle Kerne reagiert haben) sind das 8,2 ∙ 10 4 Megajoule.

Kettenreaktionen

Die Spaltung von Uran-235 sowie von Kernen wie Uran-233 und Plutonium-239 ist durch eines gekennzeichnet wichtiges Merkmal- das Vorhandensein freier Neutronen unter den Reaktionsprodukten. Diese Teilchen wiederum können, indem sie in andere Kerne eindringen, ihre Spaltung einleiten, wiederum unter Freisetzung neuer Neutronen und so weiter. Dieser Vorgang wird als nukleare Kettenreaktion bezeichnet.

Der Verlauf der Kettenreaktion hängt davon ab, wie viele Neutronen die nächste Generation emittiert, verglichen mit der Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation. Dieses Verhältnis k = N i /N i -1 (hier ist N die Anzahl der Teilchen, i die Seriennummer der Generation) wird Neutronenmultiplikationsfaktor genannt. Bei k< 1 цепная реакция не идет. При k >1 Die Zahl der Neutronen und damit der spaltbaren Kerne nimmt lawinenartig zu. Ein Beispiel für eine solche nukleare Kettenreaktion ist eine Explosion Atombombe. Bei k = 1 läuft der Prozess in einem stationären Zustand ab, wie die Reaktion zeigt, die durch neutronenabsorbierende Stäbe in Kernreaktoren gesteuert wird.

Kernfusion

Die größte Energiefreisetzung (pro Nukleon) erfolgt bei der Fusion leichter Kerne – den sogenannten Fusionsreaktionen. Um zu reagieren, müssen positiv geladene Kerne die Coulomb-Barriere überwinden und sich einander bis zu einem starken Wechselwirkungsabstand nähern, der die Größe des Kerns selbst nicht überschreiten darf. Daher müssen sie eine extrem hohe kinetische Energie haben, was hohe Temperaturen (mehrere zehn Millionen Grad und mehr) bedeutet. Aus diesem Grund werden Fusionsreaktionen auch thermonukleare Reaktionen genannt.

Ein Beispiel für eine Kernfusionsreaktion ist die Bildung von Helium-4 unter Freisetzung eines Neutrons bei der Fusion von Deuterium- und Tritiumkernen:

2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n.

Dabei wird eine Energie von 17,6 MeV freigesetzt, was pro Nukleon mehr als dreimal höher ist als die Spaltungsenergie von Uran. Davon sind 14,1 MeV die kinetische Energie des Neutrons und 3,5 MeV die kinetische Energie des Helium-4-Kerns. Ein so bedeutender Wert entsteht durch den großen Unterschied in den Bindungsenergien der Kerne von Deuterium (2,2246 MeV) und Tritium (8,4819 MeV) einerseits und Helium-4 (28,2956 MeV) andererseits.

Bei Kernspaltungsreaktionen wird die Energie der elektrischen Abstoßung freigesetzt, während bei der Fusion Energie aufgrund der starken Wechselwirkung freigesetzt wird – der stärksten in der Natur. Dies bestimmt eine so bedeutende Energieausbeute dieser Art von Kernreaktionen.

Beispiele für Problemlösungen

Betrachten Sie die Spaltreaktion 235 92 U + 1 0 n → 140 54 Xe + 94 38 Sr + 2 1 0 n. Wie hoch ist seine Energieausbeute? Im Allgemeinen lautet die Formel für seine Berechnung, die die Differenz zwischen den Ruheenergien der Teilchen vor und nach der Reaktion widerspiegelt, wie folgt:

Q = Δmc 2 = (m A + m B – m X – m Y + ...) ∙ c 2.

Anstatt mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit zu multiplizieren, können Sie die Massendifferenz mit dem Faktor 931,5 multiplizieren, um den Energiewert in Megaelektronenvolt zu erhalten. Einsetzen der entsprechenden Werte in die Formel Atommassen, wir bekommen:

Q = (235,04393 + 1,00866 – 139,92164 – 93,91536 – 2∙1,00866) ∙ 931,5 ≈ 184,7 MeV.

Ein weiteres Beispiel ist die Synthesereaktion. Dies ist eine der Phasen des Proton-Proton-Zyklus – der Hauptquelle der Sonnenenergie.

3 2 He + 3 2 He → 4 2 He + 2 1 1 H + γ.

Wenden wir die gleiche Formel an:

Q = (2 ∙ 3,01603 – 4,00260 – 2 ∙ 1,00728) ∙ 931,5 ≈ 13,9 MeV.

Der Hauptanteil dieser Energie – 12,8 MeV – entsteht in in diesem Fall zum Gammaphoton.

Wir haben nur die einfachsten Beispiele für Kernreaktionen betrachtet. Die Physik dieser Prozesse ist äußerst komplex; sie sind äußerst vielfältig. Das Studium und die Anwendung von Kernreaktionen hat sehr wichtig sowohl im praktischen Bereich (Energie) als auch in der Grundlagenwissenschaft.

– der Prozess der Wechselwirkung eines Kerns mit einem Elementarteilchen oder einem anderen Kern, bei dem es zu einer Veränderung der Struktur und Eigenschaften des Kerns kommt. Zum Beispiel die Emission von Elementarteilchen durch den Kern, seine Spaltung, die Emission hochenergetischer Photonen ( gamma Strahlen). Eine Folge von Kernreaktionen ist die Bildung von Isotopen, die auf der Erde natürlicherweise nicht vorkommen.

Kernreaktionen können auftreten, wenn Atome von schnellen Teilchen bombardiert werden ( Protonen , Neutronen , Ionen , Alphateilchen ).

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Kernreaktionen

Eine der ersten von Menschen durchgeführten Kernreaktionen wurde durchgeführt Rutherford V 1919 Jahr, um das Proton nachzuweisen. Zu diesem Zeitpunkt war noch nicht bekannt, woraus der Kern bestand Nukleonen (Protonen Und Neutronen). Bei der Spaltung vieler Elemente wurde ein Teilchen entdeckt, das den Kern eines Wasserstoffatoms darstellte. Basierend auf Experimenten ging Rutherford davon aus, dass dieses Teilchen Teil aller Kerne ist.

Diese Reaktion beschreibt genau eines der Experimente des Wissenschaftlers. Im Experiment ist das Gas höher ( Stickstoff) wird bombardiert Alphateilchen (Heliumkerne), wodurch Stickstoffkerne zerstört werden Proton , wandeln Sie es in ein Sauerstoffisotop um. Die Aufzeichnung dieser Reaktion sieht folgendermaßen aus:

Bei der Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Kernreaktionen sollte beachtet werden, dass bei ihrem Auftreten die klassischen Erhaltungssätze erfüllt sind: Aufladung , Drehimpuls , Impuls Und Energie .

Es gibt auch Baryonenladungserhaltungsgesetz . Dies bedeutet, dass die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Nukleonen unverändert bleibt. Wenn wir uns die Reaktion ansehen, sehen wir, dass die Mengen Massenzahlen (Nummer oben) und Ordnungszahlen l (unten) auf der rechten und linken Seite der Gleichung sind gleich.

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Spezifische Bindungsenergie von Kernen

Bekanntlich findet eine der grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen innerhalb des Kerns in Abständen in der Größenordnung seiner Größe statt – starke Interaktion . Um es zu überwinden und den Kern zu „zerstören“, ist es notwendig große Menge Energie.

Kernbindungsenergie - die minimale Energie, die erforderlich ist, um den Kern eines Atoms in seine Elementarteilchen zu spalten.

Die Masse jedes Atomkerns ist geringer als die Masse seiner Teilchen, aus denen er besteht. Der Unterschied zwischen den Massen eines Kerns und seiner Nukleonenbestandteile wird genannt Massendefekt:

Zahlen Z Und N lassen sich leicht ermitteln mit Periodensysteme, und Sie können nachlesen, wie das geht. Die Bindungsenergie wird nach folgender Formel berechnet:

Energie nuklearer Reaktionen

Kernreaktionen begleitet von Energieumwandlungen. Es gibt eine Größe, die als Energieausbeute der Reaktion bezeichnet wird und durch die Formel bestimmt wird

Delta M – Massendefekt, aber in diesem Fall ist es der Massenunterschied zwischen den Anfangs- und Endprodukten einer Kernreaktion.

Reaktionen können sowohl bei der Freisetzung von Energie als auch bei der Aufnahme von Energie auftreten. Solche Reaktionen werden jeweils aufgerufen exotherm Und endothermisch .
Auslaufen exotherme Reaktion Dabei muss folgende Bedingung erfüllt sein: Die kinetische Energie der Ausgangsprodukte muss größer sein als die kinetische Energie der bei der Reaktion entstehenden Produkte.

Endotherme Reaktion möglich wann spezifische Bindungsenergie Die Nukleonen in den Ausgangsprodukten sind kleiner als die spezifische Bindungsenergie der Kerne der Endprodukte.

Beispiele für die Lösung von Kernreaktionsproblemen

Und nun ein paar praktische Beispiele mit Lösungen:

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Dies wurde durch das Auftreten sekundärer ionisierender Partikel festgestellt, deren Reichweite im Gas größer war als die Reichweite von α-Partikeln und als Protonen identifiziert wurde. Anschließend wurden mit einer Wilson-Kamera Fotos von diesem Vorgang gemacht.

Je nach Wechselwirkungsmechanismus werden Kernreaktionen in zwei Typen unterteilt:

• Die Reaktion unter Bildung eines Verbindungskerns ist ein zweistufiger Prozess, der bei einer nicht sehr hohen kinetischen Energie kollidierender Teilchen (bis zu etwa 10 MeV) abläuft.
• direkte Kernreaktionen, die in stattfinden Atomzeit erforderlich, damit das Teilchen den Kern durchqueren kann. Dieser Mechanismus manifestiert sich hauptsächlich bei hohen Energien bombardierender Teilchen.

Wenn nach einer Kollision die ursprünglichen Kerne und Teilchen erhalten bleiben und keine neuen entstehen, dann ist die Reaktion eine elastische Streuung im Feld der Kernkräfte, begleitet nur von einer Umverteilung der kinetischen Energie und des Impulses des Teilchens und des Zielkerns und wird genannt mögliche Streuung .

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  Die Theorie des Reaktionsmechanismus mit der Bildung eines zusammengesetzten Kerns wurde 1936 von Niels Bohr zusammen mit der Theorie des Tröpfchenmodells des Kerns entwickelt und liegt modernen Vorstellungen über einen Großteil der Kernreaktionen zugrunde.

  Nach dieser Theorie verläuft die Kernreaktion in zwei Stufen. Zu Beginn bilden die anfänglichen Partikel einen Zwischenkern (zusammengesetzten Kern). Atomzeit, also die Zeit, die ein Teilchen benötigt, um den Kern zu durchqueren, ungefähr gleich 10 −23 - 10 −21. In diesem Fall entsteht ein zusammengesetzter Kern immer in einem angeregten Zustand, da er über überschüssige Energie verfügt, die das Teilchen in Form der Bindungsenergie des Nukleons im zusammengesetzten Kern und einem Teil seiner kinetischen Energie in den Kern einbringt gleich der Summe der kinetischen Energie des Zielkerns mit der Massenzahl A (\displaystyle A) und Partikel im Zentrum des Trägheitssystems.

  Anregungsenergie

  Anregungsenergie E ∗ (\displaystyle E^(*)) Der zusammengesetzte Kern, der bei der Absorption eines freien Nukleons entsteht, ist gleich der Summe der Bindungsenergie E c (\displaystyle E_(c)) Nukleon und einen Teil seiner kinetischen Energie E ′ (\displaystyle E^(")):

  E ∗ = E c + E ′ (\displaystyle E^(*)=E_(c)+E")

  Am häufigsten aufgrund des großen Unterschieds in den Massen von Kern und Nukleon E ′ (\displaystyle E") ungefähr gleich der kinetischen Energie des Nukleons, das den Kern bombardiert.

  Im Durchschnitt beträgt die Bindungsenergie 8 MeV und variiert je nach den Eigenschaften des resultierenden zusammengesetzten Kerns, aber für den gegebenen Zielkern und das gegebene Nukleon ist dieser Wert eine Konstante. Die kinetische Energie des bombardierenden Teilchens kann beliebig sein, beispielsweise kann der Wert bei der Anregung von Kernreaktionen durch Neutronen, deren Potenzial keine Coulomb-Barriere aufweist, nahe Null liegen. Somit ist die Bindungsenergie die minimale Anregungsenergie eines zusammengesetzten Kerns.

  Reaktionskanäle

  Der Übergang in einen nicht erregten Zustand kann auf verschiedene Weise erfolgen, genannt Reaktionskanäle. Die Art und der Quantenzustand der einfallenden Teilchen und Kerne vor Beginn der Reaktion werden bestimmt durch Eingangskanal Reaktionen. Nach Beendigung der Reaktion erhält man die Gesamtheit der resultierenden Reaktionsprodukte und ihre Quantenzustände bestimmen Ausgangskanal Reaktionen. Die Reaktion wird vollständig durch Ein- und Ausgangskanäle charakterisiert.

  Die Reaktionskanäle hängen nicht von der Art und Weise der Bildung des Verbindungskerns ab, was erklärt werden kann große Zeit Das Leben eines zusammengesetzten Kerns scheint zu „vergessen“, wie er gebildet wurde, daher kann die Bildung und der Zerfall eines zusammengesetzten Kerns als betrachtet werden unabhängige Veranstaltungen. Z.B, 13 27 Al (\displaystyle ()_(13)^(27)(\textrm (Al))) kann als zusammengesetzter Kern in einem angeregten Zustand in einer der folgenden Reaktionen gebildet werden:

  11 23 Na + 2 4 He → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(11)^(23)(\textrm (Na))+()_(2)^(4)(\textrm (He)) \rightarrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))

  12 26 Mg + 1 1 H → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(12)^(26)(\textrm (Mg))+()_(1)^(1)(\textrm (H)) \rightarrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))

  13 26 Al + 0 1 n → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(13)^(26)(\textrm (Al))+()_(0)^(1)(\textrm (n)) \rightarrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al*)))

  13 27 Al + γ → 13 27 Al* (\displaystyle ()_(13)^(27)(\textrm (Al))+\gamma \rightarrow ()_(13)^(27)(\textrm (Al *)))

  Anschließend kann dieser zusammengesetzte Kern bei gleicher Anregungsenergie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die nicht von der Entstehungsgeschichte dieses Kerns abhängt, in entgegengesetzter Weise zu jeder dieser Reaktionen zerfallen. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines zusammengesetzten Kerns hängt von der Energie und der Art des Zielkerns ab.

  Direkte Kernreaktionen

  Der Ablauf von Kernreaktionen ist auch durch den Mechanismus der direkten Wechselwirkung möglich; ein solcher Mechanismus manifestiert sich grundsätzlich bei sehr hohen Energien bombardierender Teilchen, wenn die Nukleonen des Kerns als frei betrachtet werden können. Direkte Reaktionen unterscheiden sich vom Verbundkernmechanismus hauptsächlich durch die Verteilung der Impulsvektoren der Produktteilchen relativ zum Impuls der bombardierenden Teilchen. Im Gegensatz zur sphärischen Symmetrie des Verbundkernmechanismus ist die direkte Wechselwirkung dadurch gekennzeichnet, dass die Flugrichtung der Reaktionsprodukte relativ zur Bewegungsrichtung der einfallenden Teilchen vorherrschend ist. Auch die Energieverteilungen der Produktpartikel sind in diesen Fällen unterschiedlich. Die direkte Wechselwirkung ist durch einen Überschuss an hochenergetischen Teilchen gekennzeichnet. Bei Kollisionen mit den Kernen komplexer Teilchen (also anderen Kernen) sind Prozesse des Nukleonentransfers von Kern zu Kern oder des Nukleonenaustauschs möglich. Solche Reaktionen laufen ohne die Bildung eines zusammengesetzten Kerns ab und weisen alle Merkmale einer direkten Wechselwirkung auf.

  Kernreaktionsquerschnitt

  Die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion wird durch den sogenannten Kernreaktionsquerschnitt bestimmt. In einem Laborbezugssystem (in dem der Zielkern ruht) ist die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung pro Zeiteinheit gleich dem Produkt aus dem Wirkungsquerschnitt (ausgedrückt in Flächeneinheiten) und dem Fluss einfallender Teilchen (ausgedrückt in der Zahl). der Teilchen, die pro Zeiteinheit eine Flächeneinheit durchqueren). Können für einen Eingangskanal mehrere Ausgangskanäle realisiert werden, dann ist das Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten der Ausgangsreaktionskanäle gleich dem Verhältnis ihrer Querschnitte. IN Kernphysik Reaktionsquerschnitte werden normalerweise in speziellen Einheiten ausgedrückt – Scheunen, gleich 10−24 cm².

  Reaktionsausgabe

  Anzahl der Reaktionsereignisse im Verhältnis zur Anzahl der das Ziel bombardierenden Partikel ν / Φ (\displaystyle \nu /\Phi ), angerufen der Ausgang einer Kernreaktion. Dieser Wert wird experimentell durch quantitative Messungen ermittelt. Da die Ausbeute in direktem Zusammenhang mit dem Reaktionsquerschnitt steht, ist die Messung der Ausbeute im Wesentlichen eine Messung des Reaktionsquerschnitts.

  Erhaltungsgesetze bei Kernreaktionen

  Bei Kernreaktionen sind alle Erhaltungssätze der klassischen Physik erfüllt. Diese Gesetze beschränken die Möglichkeit einer Kernreaktion. Selbst ein energetisch günstiger Prozess erweist sich immer dann als unmöglich, wenn er mit einer Verletzung eines Naturschutzgesetzes einhergeht. Darüber hinaus gibt es für die Mikrowelt spezifische Erhaltungsgesetze; einige davon sind, soweit bekannt, immer erfüllt (Erhaltungssatz der Baryonenzahl, Leptonenzahl); Andere Erhaltungssätze (Isospin, Parität, Strangeness) unterdrücken nur bestimmte Reaktionen, da sie für einige der grundlegenden Wechselwirkungen nicht erfüllt sind. Die Folgen der Naturschutzgesetze sind die sogenannten Selektionsregeln, die auf die Möglichkeit oder das Verbot bestimmter Reaktionen hinweisen.

  Gesetz der Energieeinsparung

  Wenn E 1 (\displaystyle \mathrm (E)_(1)), E 2 (\displaystyle \mathrm (E)_(2)), E 3 (\displaystyle \mathrm (E)_(3)), E 4 (\displaystyle \mathrm (E)_(4))- die Gesamtenergien zweier Teilchen vor und nach der Reaktion, dann basierend auf dem Energieerhaltungssatz:

  E 1 + E 2 = E 3 + E 4. (\displaystyle \mathrm (E) _(1)+\mathrm (E) _(2)=\mathrm (E) _(3)+\mathrm (E) _(4).)

  Wenn mehr als zwei Teilchen gebildet werden, sollte die Anzahl der Terme auf der rechten Seite dieses Ausdrucks entsprechend größer sein. Die Gesamtenergie eines Teilchens ist gleich seiner Ruheenergie Mc 2 und kinetische Energie E, Deshalb:

  M 1 c 2 + M 2 c 2 + E 1 + E 2 = M 3 c 2 + M 4 c 2 + E 3 + E 4. (\displaystyle M_(1)c^(2)+M_(2)c^(2)+E_(1)+E_(2)=M_(3)c^(2)+M_(4)c^( 2)+E_(3)+E_(4).)

  Der Unterschied zwischen den gesamten kinetischen Energien der Teilchen am „Ausgang“ und „Eingang“ der Reaktion Q = (E 3 + E 4) − (E 1 + E 2) angerufen Reaktionsenergie(oder Energieausbeute der Reaktion). Es erfüllt die Bedingung:

  M 1 + M 2 = M 3 + M 4 + Q / c 2. (\displaystyle M_(1)+M_(2)=M_(3)+M_(4)+Q/c^(2).)

  Multiplikator 1/ C 2 wird bei der Berechnung der Energiebilanz normalerweise weggelassen und drückt Teilchenmassen in Energieeinheiten (oder manchmal Energie in Masseneinheiten) aus.

  Wenn Q> 0, dann geht die Reaktion mit der Freisetzung freier Energie einher und wird aufgerufen exoenergetisch , Wenn Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется endoenergetisch .

  Das ist leicht zu erkennen Q> 0, wenn die Summe der Massen der Produktteilchen kleiner ist als die Summe der Massen der Ausgangsteilchen, d. h. die Freisetzung freier Energie ist nur durch Reduzierung der Massen der reagierenden Teilchen möglich. Und umgekehrt, wenn die Summe der Massen der Sekundärteilchen die Summe der Massen der Anfangsteilchen übersteigt, ist eine solche Reaktion nur möglich, wenn eine bestimmte Menge kinetischer Energie aufgewendet wird, um die Ruheenergie zu erhöhen, also die Massen neuer Teilchen. Man nennt den Mindestwert der kinetischen Energie eines einfallenden Teilchens, bei dem eine endoenergetische Reaktion möglich ist Schwellenreaktionsenergie. Endoenergetische Reaktionen werden auch genannt Schwellenreaktionen, da sie bei Teilchenenergien unterhalb der Schwelle nicht auftreten.

  Gesetz der Impulserhaltung

  Der Gesamtimpuls der Teilchen vor der Reaktion ist gleich dem Gesamtimpuls der Reaktionsproduktteilchen. Wenn p → 1 (\displaystyle (\vec (p))_(1)), p → 2 (\displaystyle (\vec (p))_(2)), p → 3 (\displaystyle (\vec (p))_(3)), p → 4 (\displaystyle (\vec (p))_(4)) sind also die Impulsvektoren zweier Teilchen vor und nach der Reaktion

  p → 1 + p → 2 = p → 3 + p → 4. (\displaystyle (\vec (p))_(1)+(\vec (p))_(2)=(\vec (p))_(3)+(\vec (p))_(4) .)

  Jeder der Vektoren kann unabhängig experimentell gemessen werden, beispielsweise mit einem magnetischen Spektrometer. Experimentelle Daten zeigen, dass das Gesetz der Impulserhaltung sowohl bei Kernreaktionen als auch bei Streuprozessen von Mikropartikeln gilt.

  Gesetz der Drehimpulserhaltung

  Kernfusionsreaktion

  Kernfusionsreaktion- der Prozess der Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem neuen, schwereren Kern.

  Neben dem neuen Kern entstehen bei der Fusionsreaktion in der Regel auch verschiedene Elementarteilchen und (oder) Quanten elektromagnetischer Strahlung.

  Ohne Zufuhr externer Energie ist eine Kernfusion nicht möglich, da positiv geladene Kerne elektrostatische Abstoßungskräfte erfahren – dies ist die sogenannte „Coulomb-Barriere“. Um Kerne zu synthetisieren, ist es notwendig, sie auf eine Entfernung von etwa 10–15 m zu bringen, bei der die Wirkung der starken Wechselwirkung die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung übersteigt. Dies ist möglich, wenn die kinetische Energie sich nähernder Kerne die Coulomb-Barriere überschreitet.

  Solche Bedingungen können in zwei Fällen auftreten:

  • Wenn ein Stoff extrem erhitzt wird hohe Temperaturen in einem Stern- oder thermonuklearen Reaktor. Gemäß der kinetischen Theorie kann die kinetische Energie bewegter Mikropartikel einer Substanz (Atome, Moleküle oder Ionen) als Temperatur dargestellt werden, und daher kann durch Erhitzen der Substanz eine Kernfusionsreaktion erreicht werden. In diesem Fall spricht man von thermonuklearer Fusion oder thermonuklearer Reaktion.

  Thermonukleare Reaktion

  Thermonukleare Reaktion- die Verschmelzung zweier Atomkerne zu einem neuen, schwereren Kern aufgrund der kinetischen Energie ihrer thermischen Bewegung.

  Für eine Kernfusionsreaktion müssen die Ausgangskerne eine relativ hohe kinetische Energie haben, da sie eine elektrostatische Abstoßung erfahren, da sie positiv geladen sind.

  Unter ihnen ist zunächst die auf der Erde sehr häufige Reaktion zwischen zwei Isotopen (Deuterium und Tritium) des Wasserstoffs zu erwähnen, bei der Helium entsteht und ein Neutron freigesetzt wird. Die Reaktion kann wie folgt geschrieben werden:

  1 2 H (D) + 1 3 H (T) → 2 4 He + 0 1 n (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))(D)+()_(1 )^(3)(\textrm (H))(T)\rightarrow ()_(2)^(4)(\textrm (He))+()_(0)^(1)(\textrm (n ))) + Energie (17,6 MeV).

  Die freigesetzte Energie (die dadurch entsteht, dass Helium-4 über sehr starke Kernbindungen verfügt) wird in kinetische Energie umgewandelt, am meisten Davon tragen 14,1 MeV das Neutron als leichteres Teilchen fort. Der resultierende Kern ist fest gebunden, weshalb die Reaktion so hoch exoenergetisch ist. Diese Reaktion zeichnet sich durch die niedrigste Coulomb-Barriere und eine hohe Ausbeute aus und ist daher für die kontrollierte Kernfusion von besonderem Interesse.

  Photonukleare Reaktion

  Wenn ein Gammaquant absorbiert wird, erhält der Kern überschüssige Energie, ohne seine Nukleonenzusammensetzung zu ändern, und ein Kern mit überschüssiger Energie ist ein zusammengesetzter Kern. Wie bei anderen Kernreaktionen ist die Absorption eines Gammaquants durch einen Kern nur möglich, wenn die erforderlichen Energie- und Spinverhältnisse erfüllt sind. Wenn die auf den Kern übertragene Energie die Bindungsenergie eines Nukleons im Kern übersteigt, erfolgt der Zerfall des resultierenden zusammengesetzten Kerns am häufigsten unter Emission von Nukleonen, hauptsächlich Neutronen. Dieser Zerfall führt zu Kernreaktionen (γ , n) (\displaystyle (\gamma ,n)) Und (γ , p) (\displaystyle (\gamma ,p)), die aufgerufen werden photonuklear und das Phänomen der Nukleonenemission bei diesen Reaktionen ist nuklearer photoelektrischer Effekt, ...). Bei einigen Reaktionen, an denen die schwache Wechselwirkung beteiligt ist, können sich Protonen in Neutronen umwandeln und umgekehrt, ihre Gesamtzahl ändert sich jedoch nicht.

  Zweiter Weg Die für die Kernphysik bequemere Notation hat die Form A (a, bcd...) B, Wo A- Zielkern, A- bombardierendes Teilchen (einschließlich des Kerns), b, c, d, …- emittierte Partikel (einschließlich Kerne), IN- Restkern. Leichtere Reaktionsprodukte stehen in Klammern, schwerere außen. Somit kann die obige Neutroneneinfangreaktion wie folgt geschrieben werden:

  48 113 Cd (n , γ) 48 114 Cd (\displaystyle ()_(48)^(113)(\textrm (Cd))(n,\gamma)()_(48)^(114)(\textrm (CD))). - Kern eines Wasserstoffatoms, Proton.

  In „chemischer“ Schreibweise sieht diese Reaktion so aus

  7 14 N + α → p + 8 17 O (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))+\alpha \rightarrow p+()_(8)^(17)(\textrm (Ö))).

  Kernreaktion – Dies ist die Umwandlung von Atomkernen bei der Wechselwirkung mit Elementarteilchen(auch mit γ-Quanten) oder miteinander. Die häufigste Art einer Kernreaktion ist die Reaktion, die symbolisch wie folgt geschrieben wird:

  Wo X Und Y– Anfangs- und Endkerne, A Und B– ein Partikel, der bei einer Kernreaktion bombardiert und emittiert (oder emittiert) wird.

  In der Kernphysik wird die Effizienz der Wechselwirkung charakterisiert durch wirksamer Querschnitt σ. Jede Art der Teilchen-Kern-Wechselwirkung ist mit einem eigenen effektiven Wirkungsquerschnitt verbunden: effektiver Streuquerschnitt ;effektiver Absorptionsquerschnitt .

  Der effektive Wirkungsquerschnitt der Kernreaktion σ ergibt sich aus der Formel:

  ,

  (9.5.1)

  Wo N– die Anzahl der Partikel, die pro Zeiteinheit pro Einheit der Querschnittsfläche eines Stoffes pro Volumeneinheit fallen N Kerne; D N ist die Anzahl dieser Teilchen, die in einer Schicht der Dicke d reagieren X. Der effektive Wirkungsquerschnitt σ hat die Dimension einer Fläche und charakterisiert die Wahrscheinlichkeit, dass eine Reaktion auftritt, wenn ein Teilchenstrahl auf einen Stoff trifft.

  Maßeinheit des effektiven Wirkungsquerschnitts nuklearer Prozesse – Scheune (1 Scheune = 10–28 m2).

  Bei jeder Kernreaktion werden durchgeführt Naturschutzgesetze elektrische Aufladungen Und Massenzahlen : Summe der Gebühren(und Summe der Massenzahlen) Kerne und Teilchen, Die Reaktion entspricht der Summe der Ladungen(und Summe der Massenzahlen) Endprodukte(Kerne und Teilchen) Reaktionen. Im Gange Auch Gesetze der Energieerhaltung , Impuls Und Drehimpuls .

  Im Gegensatz zu radioaktiver Zerfall, die immer unter Freisetzung von Energie abläuft, können Kernreaktionen sein exotherm (mit der Freisetzung von Energie) und endothermisch (mit Energieabsorption).

  Die wichtigste Rolle bei der Erklärung des Mechanismus vieler Kernreaktionen spielte die Annahme von N. Bohr (1936). Kernreaktionen verlaufen in zwei Stufen nach dem folgenden Schema:

  .

  (9.5.2)

  Erste Stufe – das ist Erfassung durch den Kern X Partikel A, Annäherung an ihn in der Wirkungsentfernung der Kernkräfte (ungefähr) und Bildung eines Zwischenkerns MIT, zusammengesetzter (oder zusammengesetzter Kern) genannt. Die Energie eines in den Kern fliegenden Teilchens verteilt sich schnell auf die Nukleonen des zusammengesetzten Kerns, wodurch es sich in einem angeregten Zustand befindet. Wenn Nukleonen in einem zusammengesetzten Kern kollidieren, wird eines der Nukleonen (oder eine Kombination davon, z. B. ein Deuteron) oder α - Das Teilchen kann ausreichend Energie aufnehmen, um aus dem Kern zu entkommen. Als Ergebnis kommt zweite Stufe der Kernreaktion – Zerfall eines zusammengesetzten Kerns in einen Kern Y und ein Teilchen B.

  In der Kernphysik wird es eingeführt charakteristische Kernzeit – Zeit,erforderlich, damit ein Teilchen eine Strecke zurücklegen kann, die in der Größenordnung des Kerndurchmessers liegt(). Für ein Teilchen mit einer Energie von 1 MeV (was seiner Geschwindigkeit von 10 7 m/s entspricht) beträgt die charakteristische Kernzeit hingegen nachweislich 10 –16 – 10 –12 s, d.h. ist (10 6 – 10 10)τ. Das bedeutet, dass es während der Lebensdauer eines zusammengesetzten Kerns zu zahlreichen Kollisionen von Nukleonen untereinander kommen kann, d. h. Eine Umverteilung der Energie zwischen Nukleonen ist tatsächlich möglich. Folglich lebt der zusammengesetzte Kern so lange, dass er völlig „vergisst“, wie er entstanden ist. Daher die Art des Zerfalls des zusammengesetzten Kerns (der von ihm emittierten Teilchen). B) – die zweite Stufe einer Kernreaktion – hängt nicht von der Art und Weise der Bildung des zusammengesetzten Kerns, der ersten Stufe, ab.

  Wenn das emittierte Teilchen mit dem eingefangenen identisch ist (), dann beschreibt Schema (4.5.2) die Streuung des Teilchens: elastisch – bei ; unelastisch – bei . Wenn das emittierte Teilchen nicht mit dem eingefangenen identisch ist (), dann haben wir im wahrsten Sinne des Wortes Ähnlichkeiten mit einer Kernreaktion.

  Es finden einige Reaktionen statt ohne Bildung eines zusammengesetzten Kerns, heißen sie direkte nukleare Wechselwirkungen(zum Beispiel Reaktionen, die durch schnelle Nukleonen und Deuteronen verursacht werden).

  Kernreaktionen werden nach folgenden Kriterien klassifiziert:

  · nach der Art der daran beteiligten Teilchen – Reaktionen unter dem Einfluss von Neutronen; Reaktionen unter dem Einfluss geladener Teilchen (zum Beispiel Protonen, Deuteronen, α-Teilchen); Reaktionen unter dem Einfluss von γ-Quanten;

  · entsprechend der Energie der sie verursachenden Teilchen – Reaktionen bei niedrigen Energien (in der Größenordnung von Elektronenvolt), die hauptsächlich unter Beteiligung von Neutronen ablaufen; Reaktionen bei mittleren Energien (bis zu mehreren MeV), die unter Beteiligung von γ-Quanten und geladenen Teilchen (Protonen, α-Teilchen) ablaufen; Reaktionen, die bei hohen Energien (Hunderte und Tausende MeV) ablaufen und zum Auftreten von Elementarteilchen führen, die im freien Zustand fehlen und für ihre Untersuchung von großer Bedeutung sind;

  · nach der Art der daran beteiligten Kerne – Reaktionen an leichten Kernen (A< 50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжёлых ядрах (A > 100);

  · je nach Art der stattfindenden Kernumwandlungen - Reaktionen mit Neutronenemission; Reaktionen unter Emission geladener Teilchen; Einfangreaktionen (bei diesen Reaktionen emittiert der Verbindungskern keine Teilchen, sondern geht in den Grundzustand über und emittiert ein oder mehrere γ-Quanten).

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  Die Relativitätstheorie besagt, dass Masse eine besondere Form von Energie ist. Daraus folgt, dass es möglich ist, Masse in Energie und Energie in Masse umzuwandeln. Auf intraatomarer Ebene finden solche Reaktionen statt. Insbesondere kann durchaus eine gewisse Menge an Masse selbst in Energie umgewandelt werden. Dies geschieht auf verschiedene Weise. Erstens kann ein Kern in eine Reihe kleinerer Kerne zerfallen, eine Reaktion, die als „Zerfall“ bezeichnet wird. Zweitens können sich kleinere Kerne leicht zu einem größeren verbinden – das ist eine Fusionsreaktion. Solche Reaktionen kommen im Universum sehr häufig vor. Es genügt zu sagen, dass die Fusionsreaktion eine Energiequelle für Sterne ist. Aber die Zerfallsreaktion wird von der Menschheit genutzt, weil die Menschen gelernt haben, diese komplexen Prozesse zu kontrollieren. Aber was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie geht man damit um?

  Was passiert im Atomkern?

  Eine nukleare Kettenreaktion ist ein Prozess, der auftritt, wenn Elementarteilchen oder Kerne mit anderen Kernen kollidieren. Warum „verketten“? Dies ist eine Reihe aufeinanderfolgender einzelner Kernreaktionen. Als Ergebnis dieses Prozesses kommt es zu einer Änderung des Quantenzustands und der nukleonischen Zusammensetzung des ursprünglichen Kerns, und es entstehen sogar neue Teilchen – Reaktionsprodukte. Die Kernkettenreaktion, deren Physik es ermöglicht, die Mechanismen der Wechselwirkung von Kernen mit Kernen und mit Teilchen zu untersuchen, ist die wichtigste Methode zur Gewinnung neuer Elemente und Isotope. Um den Ablauf einer Kettenreaktion zu verstehen, muss man sich zunächst mit einzelnen Reaktionen auseinandersetzen.

  Was für eine Reaktion benötigt wird

  Um einen Prozess wie eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen, ist es notwendig, Teilchen (einen Kern und ein Nukleon, zwei Kerne) näher an den Abstand des starken Wechselwirkungsradius (ungefähr ein Fermi) zu bringen. Wenn die Abstände groß sind, erfolgt die Wechselwirkung geladener Teilchen rein nach Coulomb. Bei einer Kernreaktion werden alle Gesetze beachtet: Energieerhaltung, Impuls, Impuls, Baryonenladung. Eine nukleare Kettenreaktion wird durch die Symbole a, b, c, d bezeichnet. Das Symbol a bezeichnet den ursprünglichen Kern, b das eintretende Teilchen, c das neu emittierte Teilchen und d bezeichnet den resultierenden Kern.

  

  Reaktionsenergie

  Eine nukleare Kettenreaktion kann sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten, die dem Unterschied in den Teilchenmassen nach und vor der Reaktion entspricht. Die absorbierte Energie bestimmt die minimale kinetische Energie des Stoßes, die sogenannte Schwelle einer Kernreaktion, bei der diese ungehindert ablaufen kann. Dieser Schwellenwert hängt von den an der Wechselwirkung beteiligten Partikeln und ihren Eigenschaften ab. Im Anfangsstadium befinden sich alle Teilchen in einem vorgegebenen Quantenzustand.

  Durchführung der Reaktion

  

  Die Hauptquelle geladener Teilchen, mit denen der Kern bombardiert wird, sind Strahlen aus Protonen, schweren Ionen und leichten Kernen. Langsame Neutronen werden durch den Einsatz von Kernreaktoren erzeugt. Zum Einfangen ankommender geladener Teilchen kann verwendet werden verschiedene Typen Kernreaktionen – sowohl Fusion als auch Zerfall. Ihre Wahrscheinlichkeit hängt von den Parametern der kollidierenden Teilchen ab. Diese Wahrscheinlichkeit ist mit einem Merkmal wie dem Reaktionsquerschnitt verbunden – dem Wert der effektiven Fläche, der den Kern als Ziel für einfallende Teilchen charakterisiert und ein Maß für die Wahrscheinlichkeit ist, dass Teilchen und Kern in Wechselwirkung treten. Wenn Teilchen mit einem Spinwert ungleich Null an der Reaktion teilnehmen, hängt der Wirkungsquerschnitt direkt von ihrer Orientierung ab. Da die Spins der einfallenden Teilchen nicht völlig chaotisch, sondern mehr oder weniger geordnet sind, sind alle Teilchen polarisiert. Die quantitative Charakteristik der orientierten Strahlspins wird durch den Polarisationsvektor beschrieben.

  Reaktionsmechanismus

  Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um eine Abfolge einfacherer Reaktionen. Die Eigenschaften des einfallenden Teilchens und seine Wechselwirkung mit dem Kern hängen von Masse, Ladung und kinetischer Energie ab. Die Wechselwirkung wird durch den Freiheitsgrad der Kerne bestimmt, die beim Stoß angeregt werden. Die Kontrolle über all diese Mechanismen ermöglicht einen Prozess wie eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion.

  

  Direkte Reaktionen

  Wenn ein geladenes Teilchen, das auf einen Zielkern trifft, diesen nur berührt, ist die Dauer des Zusammenstoßes gleich der Dauer, die erforderlich ist, um den Radius des Kerns abzudecken. Diese Kernreaktion wird als direkt bezeichnet. Allgemeine Charakteristiken Bei allen Reaktionen dieser Art handelt es sich um die Anregung einer geringen Anzahl von Freiheitsgraden. Bei einem solchen Prozess verfügt das Teilchen nach der ersten Kollision noch über genügend Energie, um die nukleare Anziehungskraft zu überwinden. Beispielsweise werden Wechselwirkungen wie inelastische Neutronenstreuung und Ladungsaustausch als direkt klassifiziert. Der Beitrag solcher Prozesse zum Merkmal „Gesamtquerschnitt“ ist völlig vernachlässigbar. Die Verteilung der Produkte einer direkten Kernreaktion ermöglicht es jedoch, die Fluchtwahrscheinlichkeit aus dem Strahlrichtungswinkel, die Selektivität besiedelter Zustände und deren Struktur zu bestimmen.

  

  Emission vor dem Gleichgewicht

  Wenn das Teilchen nach der ersten Kollision den Bereich der Kernwechselwirkung nicht verlässt, wird es in eine ganze Kaskade aufeinanderfolgender Kollisionen verwickelt. Dies ist eigentlich das, was man eine nukleare Kettenreaktion nennt. Aufgrund dieser Situation wird die kinetische Energie des Teilchens auf die Bestandteile des Kerns verteilt. Der Zustand des Kerns selbst wird nach und nach viel komplizierter. Dabei kann die für die Emission dieses Nukleons aus dem Kern ausreichende Energie auf ein bestimmtes Nukleon oder einen ganzen Cluster (Gruppe von Nukleonen) konzentriert werden. Eine weitere Entspannung führt zur Bildung eines statistischen Gleichgewichts und zur Bildung eines zusammengesetzten Kerns.

  Kettenreaktionen

  Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Das ist ihre Sequenz Komponenten. Das heißt, mehrere aufeinanderfolgende einzelne Kernreaktionen, die durch geladene Teilchen verursacht werden, erscheinen als Reaktionsprodukte in vorherigen Schritten. Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Zum Beispiel die Spaltung schwerer Kerne, wenn mehrere Spaltereignisse durch Neutronen ausgelöst werden, die aus früheren Zerfällen stammen.

  Merkmale einer nuklearen Kettenreaktion

  Unter allen chemische Reaktionen Kettenmodelle sind weit verbreitet. Teilchen mit ungenutzten Bindungen wirken als freie Atome oder Radikale. In einem Prozess wie einer nuklearen Kettenreaktion wird der Mechanismus für sein Auftreten durch Neutronen bereitgestellt, die keine Coulomb-Barriere haben und den Kern bei Absorption anregen. Wenn das erforderliche Partikel im Medium erscheint, löst es eine Kette nachfolgender Transformationen aus, die so lange andauert, bis die Kette aufgrund des Verlusts des Trägerpartikels abbricht.

  

  Warum gehen die Medien verloren?

  Für den Verlust eines Trägerpartikels in einer kontinuierlichen Reaktionskette gibt es nur zwei Gründe. Das erste ist die Absorption eines Teilchens ohne den Prozess der Emission eines sekundären Teilchens. Das zweite ist die Abweichung eines Partikels über die Volumengrenze der Substanz hinaus, die den Kettenprozess unterstützt.

  Zwei Arten von Prozessen

  Wenn in jeder Periode einer Kettenreaktion ein ausschließlich einzelnes Trägerteilchen entsteht, kann dieser Prozess als unverzweigt bezeichnet werden. Es kann nicht zu einer Energiefreisetzung im großen Maßstab führen. Treten viele Trägerpartikel auf, spricht man von einer verzweigten Reaktion. Was ist eine verzweigte nukleare Kettenreaktion? Eines der im vorherigen Akt erhaltenen Sekundärteilchen setzt die zuvor begonnene Kette fort, andere lösen jedoch neue Reaktionen aus, die sich ebenfalls verzweigen. Prozesse, die zu einem Bruch führen, konkurrieren mit diesem Prozess. Die daraus resultierende Situation wird spezifische kritische und einschränkende Phänomene hervorrufen. Wenn es beispielsweise mehr Brüche als rein neue Ketten gibt, ist eine Selbsterhaltung der Reaktion unmöglich. Selbst wenn es künstlich angeregt wird, indem man die erforderliche Anzahl von Teilchen in eine bestimmte Umgebung einbringt, wird der Prozess mit der Zeit immer noch abklingen (normalerweise ziemlich schnell). Übersteigt die Zahl der neuen Ketten die Zahl der Brüche, breitet sich die nukleare Kettenreaktion in der gesamten Substanz aus.

  

  Kritischer Zustand

  Der kritische Zustand trennt den Zustandsbereich eines Stoffes mit einer entwickelten selbsterhaltenden Kettenreaktion von dem Bereich, in dem diese Reaktion überhaupt nicht möglich ist. Dieser Parameter ist durch die Gleichheit zwischen der Anzahl neuer Stromkreise und der Anzahl möglicher Unterbrechungen gekennzeichnet. Wie das Vorhandensein eines freien Trägerteilchens ist der kritische Zustand der Hauptpunkt einer solchen Liste wie „Bedingungen für eine nukleare Kettenreaktion“. Das Erreichen dieses Zustands kann durch eine Reihe möglicher Faktoren bestimmt werden. eines schweren Elements wird von nur einem Neutron angeregt. Als Ergebnis eines Prozesses, der Kernspaltungskettenreaktion genannt wird, werden mehr Neutronen erzeugt. Folglich kann dieser Prozess eine verzweigte Reaktion hervorrufen, bei der Neutronen als Träger fungieren. Wenn die Rate des Neutroneneinfangs ohne Spaltung oder Emission (Verlustrate) durch die Vermehrungsrate der Trägerteilchen kompensiert wird, läuft die Kettenreaktion im stationären Modus ab. Diese Gleichheit charakterisiert den Reproduktionskoeffizienten. Im obigen Fall ist es gleich eins. Dank der Einführung zwischen der Energiefreisetzungsrate und dem Multiplikationsfaktor ist es möglich, den Verlauf einer Kernreaktion zu steuern. Wenn dieser Koeffizient größer als eins ist, verläuft die Reaktion exponentiell. Bei Atomwaffen kommen unkontrollierte Kettenreaktionen zum Einsatz.

  Kernkettenreaktion in der Energie

  Die Reaktivität des Reaktors wird bestimmt Große anzahl Prozesse, die in seiner aktiven Zone ablaufen. Alle diese Einflüsse werden durch den sogenannten Reaktivitätskoeffizienten bestimmt. Der Einfluss von Temperaturänderungen von Graphitstäben, Kühlmitteln oder Uran auf die Reaktivität des Reaktors und die Intensität eines Prozesses wie einer nuklearen Kettenreaktion wird charakterisiert durch Temperaturkoeffizient(für Kühlmittel, für Uran, für Graphit). Es gibt auch abhängige Merkmale für Leistung, barometrische Indikatoren und Dampfindikatoren. Um eine Kernreaktion in einem Reaktor aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, einige Elemente in andere umzuwandeln. Dazu müssen die Bedingungen für das Auftreten einer nuklearen Kettenreaktion berücksichtigt werden – das Vorhandensein einer Substanz, die in der Lage ist, beim Zerfall eine bestimmte Anzahl von Elementarteilchen zu teilen und aus sich selbst freizusetzen, was zur Folge hat , wird zur Spaltung anderer Kerne führen. Als solche Stoffe werden häufig Uran-238, Uran-235 und Plutonium-239 verwendet. Während einer nuklearen Kettenreaktion zerfallen Isotope dieser Elemente und bilden zwei oder mehr andere Chemikalien. Dabei werden sogenannte „Gamma“-Strahlen emittiert, es kommt zu einer intensiven Energiefreisetzung und es entstehen zwei bis drei Neutronen, die die Reaktionsschritte fortsetzen können. Es gibt langsame und schnelle Neutronen, denn damit der Atomkern zerfällt, müssen diese Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit fliegen.