Physiker für Kernreaktionen. Nukleare Kettenreaktion. Bedingungen für eine nukleare Kettenreaktion
Entdeckung des Neutrons und seiner Eigenschaften
Kernreaktionen unter dem Einfluss von Neutronen nehmen in der Kernphysik einen besonderen Platz ein. Aufgrund der Tatsache, dass das Neutron nicht vorhanden ist elektrische Ladung Es dringt ungehindert in alle Atomkerne ein und löst Kernreaktionen aus. Betrachten wir zunächst die Eigenschaften des Neutrons.
Das Neutron wurde nach einer Vorhersage von Rutherford aus dem Jahr 1920 entdeckt.
In den Experimenten von Bethe und Becker (1930) wurden Berylliumkerne mit α-Teilchen bestrahlt und neutrale Strahlung aufgezeichnet, deren Natur nicht geklärt wurde.
α + Be → neutrale Strahlung (was?, γ?).
Bei den Joliot-Curie-Experimenten (1932) wurden Alphateilchen auf ein Beryllium-Target und dann auf ein Paraffin-Target gerichtet, um die Natur neutraler Strahlung zu bestimmen. Nach dem Paraffin-Target wurde die Freisetzung von Protonen beobachtet. Der Versuchsaufbau ist unten dargestellt.
α + Be → Paraffin → p
Es wurden Rückstoßprotonen mit E p = 4,3 MeV nachgewiesen. Es stellte sich die Frage: Unter dem Einfluss welcher Teilchen entstanden sie?
Wenn sie durch γ-Quanten verursacht wurden, dann hätte die Energie der γ-Quanten E γ ~ 50 MeV betragen müssen. γ-Quanten mit einer solchen Energie konnten bei dieser Reaktion nicht entstehen.
Chadwick analysierte diese Experimente und schlug vor, dass die Reaktion neutrale Teilchen mit einer Masse erzeugte, die mit der Masse eines Protons vergleichbar war. Als nächstes führte er ein Experiment in einer Nebelkammer durch und beobachtete Stickstoff-Rückstoßkerne. Er verglich diese Ergebnisse mit den Ergebnissen der Joliot-Curie-Experimente, bei denen Rückstoßprotonen aus Paraffin nachgewiesen wurden, und bestimmte die Masse dieses neutralen Teilchens aus dem Energieerhaltungssatz
und Impuls
m 1 v = m 1 v 1 + m p v p ; 
wobei N der Stickstoffkern ist; v 1 ist die Geschwindigkeit des neutralen Teilchens nach der Kollision; m 1 ist die Masse des neutralen Teilchens. Es stellte sich heraus, dass es nahe an der Masse eines Protons lag
Somit wurde klar, dass es in Joliot-Curies Experimenten zu einer Reaktion kam, bei der neutrale Teilchen – Neutronen – emittiert wurden:
α + 9 Be → 12 C+ n.
Als sie auf das Paraffin trafen, schlugen sie Rückstoßprotonen mit einer Energie E p = 4,3 MeV heraus.
Die aus zahlreichen Experimenten gewonnenen Eigenschaften des Neutrons werden im Folgenden dargestellt:
Masse − m n c 2 = 939,5 MeV, m n = 1,008665 a. essen.,
magnetisches Moment− μ n = −1,91μ i,
Spin − J = ћ/2,
Lebensdauer − τ n = (10,61 ±0,16) min,
quadratischer Mittelwert des Radius −
Kernreaktionen liefern nicht nur neue Informationen über die Natur und Eigenschaften nuklearer Kräfte, sondern werden auch praktisch in der Volkswirtschaft und in militärischen Angelegenheiten eingesetzt. Dies gilt vor allem für Kernreaktionen unter dem Einfluss von Neutronen bei niedrigen Energien.
11.4 Neutronenquellen
Neutronenquellen sind verschiedene Kernreaktionen.
 Reis. 88: Neutronenspektrum. |
1. Es wird eine Mischung aus Radium mit Beryllium (manchmal auch Polonium mit Beryllium) verwendet, in der die Reaktion stattfindet
α + 9 Be → 12 C+ n + 5,5 MeV.
Die kinetische Energie T der Neutronen ist über das Spektrum verteilt
(Abb. 88).
Beim Zerfall von Ra entstehen Alphateilchen mit Energien von 4,8 MeV und 7,7 MeV. Sie reagieren mit 9 Be und erzeugen einen Neutronenfluss. Die Ausbreitung der Neutronenenergie ist darauf zurückzuführen, dass α-Teilchen unterschiedlicher Energie Neutronen unterschiedlicher Energie erzeugen. Der Kohlenstoff-12-C-Kern wird im Grundzustand und im angeregten Zustand gebildet.
Neutronenausbeute ~ 10 7 Neutronen pro 1 g Ra pro Sekunde. Gleichzeitig werden γ-Strahlen emittiert.
2. Andere Neutronenquellen sind photonukleare Reaktionen (γ,n), die langsame und monochromatische Neutronen erzeugen.
γ + 2 H → p + n, Q = -2,23 MeV.
Es wird „ThC“ (208 Tl) verwendet. Es emittiert γ-Quanten mit E γ ~ 2,62 MeV und E n ~ Er; T n ~20 keV.
3. Photozerfall von Be durch Photonen mit der Energie E γ = 1,78 MeV
γ + 9 Be → 8 Be + n, Q = -1,65 MeV; Tn ~ 100 keV.
4. Emission von Neutronen unter dem Einfluss beschleunigter Deuteronen mit E d = 16 MeV in der Reaktion
2 H + 9 Be → 10 B + n + 4,3 MeV.
E n = 4 MeV, Ausgabe 10 6 Neutronen pro Sekunde.
5. Reaktion 2 H + 2 H → 3 He + n + 3,2 MeV,
D + D (Eis aus schwerem Wasser), i?n = 2,5 MeV.
6. Bestrahlung mit Tritium-Deuteronen
2 H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV.
Da diese Reaktion exotherm ist, werden Deuteronen in Gasentladungsröhren auf eine Energie von Ed = 0,3 MeV beschleunigt. Es entstehen monochromatische Neutronen mit E n ~ 14 MeV.
Diese Neutronenquelle wird in der Geologie verwendet.
7. Bei Aufschlussreaktionen unter dem Einfluss von Deuteronen mit E d ~ 200 MeV entstehen n c an schweren Kernen
E n ~ 100 MeV.
11.5 Kernreaktoren, nukleare Kettenreaktion
Die stärkste Neutronenquelle sind Kernreaktoren – Geräte, die die Kontrolle behalten Kettenreaktion Aufteilung.
Im Reaktor kommt es zur Spaltung von U-Kernen und es werden Neutronen mit E n von 0 bis 13 MeV erzeugt, die Quellenintensität beträgt 10 19 Neutronen/s cm2. Der Spaltungsprozess findet unter dem Einfluss von Neutronen statt, die aufgrund des Fehlens einer Coulomb-Potentialbarriere ungehindert in die Kerne eindringen.
Bei der Kernspaltung entstehen radioaktive Fragmente und es werden 2-3 n emittiert, die wiederum mit U-Kernen reagieren; Es liegt ein Kettenprozess vor (Abb. 89).
n + 235 U → 236 U → 139 La + 95 Mo + 2n
Reis. 89: Abbildung der 235U-Kernabteilung.
Um den Spaltungsprozess von 235 U zu beschreiben, wird ein Flüssigkeitstropfenmodell verwendet, bei dem die Weizsäcker-Formel funktioniert. Nachdem ein Neutron in einen Urankern eingedrungen ist, kommt es zu einem Wettbewerb zwischen der Oberflächenenergie des neuen Kerns und der Coulomb-Abstoßungsenergie. Dadurch wird der Kern unter dem Einfluss der Coulomb-Kräfte in zwei leichtere Kerne geteilt.
Bei der Kernspaltung freigesetzte Energie Q (A,Z)
(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,
berechnet nach der Weizsäcker-Formel
Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2 1/3) a sim ·A 2/3 + (1 − 2 2/3) a kul ·Z 2 · A -1/3 ;
Q (MeV) = -4,5A 2/3 + 0,26·Z 2 A -1/3, ε – spezifische Bindungsenergie: E St /A. Für den 235-Kern U Q = 180 MeV.
Damit sich ein Kern spalten kann, muss ihm die Energie E > E a zugeführt werden, wobei E a Abb. 90: Potenzielle Energie Kerne abhängig vom Abstand zum Kernzentrum (durchgezogene Kurve), E 0 - Grundzustand, E 0 + E a - angeregter Zustand, E a - Aktivierungsenergie
(Abb. 90).
Ein Maß für die Fähigkeit von Kernen zur Spaltung ist das Verhältnis der Energie der Coulomb-Abstoßung von Protonen zur Energie der Oberflächenspannung:
wobei Z 2 /A der Spaltungsparameter ist; je größer er ist, desto leichter lässt sich der Kern teilen; Z 2 /A = 49 ist der kritische Wert des Divisionsparameters.
Eine Darstellung des Prozesses der Kernspaltung ist in Abb. dargestellt. 91.
In einem Kernreaktor wird der Prozess der Kernspaltung aufgrund der Bildung vieler Spaltungsgenerationen viele Male wiederholt. Bei der ersten Spaltung von 235 U entstehen durchschnittlich 2,4 Neutronen. Die Lebensdauer einer Generation beträgt ~ 10 s. Wenn K-Generationen geboren werden, werden nach einer Zeit von ~ 2·10 -6 s ~ 2 K-Neutronen erzeugt. Wenn K = 80, beträgt die Anzahl der Neutronen 2 80 ~ 10 24 – dies führt zur Spaltung von 10 24 Atomen (140 g Uran). Die dabei freigesetzte Energie von 3·10 13 W entspricht der Energie, die bei der Verbrennung von 1000 Tonnen Öl entsteht.
Reis. 91: Der Prozess der Kernspaltung in einem Kernreaktor.
Bei Spaltreaktionen wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Die Wärmeabfuhr aus dem Reaktor erfolgt über ein Kühlmittel, an das besondere Anforderungen gestellt werden. Es muss eine hohe Wärmekapazität haben, Neutronen schwach absorbieren und eine geringe chemische Aktivität aufweisen. Lasst uns nicht diskutieren Design-Merkmale Elemente eines Kernreaktors. Wir stellen lediglich fest, dass beim Auftreffen thermischer Neutronen auf den 235 U-Kern schnelle Neutronen entstehen und die Reaktion nur mit langsamen Neutronen stattfindet. Daher ist es notwendig, schnelle Neutronen abzubremsen. Dies geschieht im Retarder. Als Moderator wird Kohlenstoff oder schweres Wasser verwendet. Das Stoppen des Spaltungsprozesses wird mit Hilfe von Cadmiumkernen erreicht, die die entstehenden Neutronen einfangen. Daher umfasst die Konstruktion eines Kernreaktors notwendigerweise einen Neutronenmoderator (Kohlenstoff) und Cadmiumstäbe, die die entstehenden Neutronen absorbieren.
Die Reaktoren verwenden natürliches Uran 238 U (99,3 %) und angereichertes Uran 235 U (0,7 %). 235 U wird durch thermische Neutronen gespalten. 238 U wird in schnellen Neutronenreaktoren verwendet.
Die im Reaktor ablaufenden Prozesse sind durch folgende Wahrscheinlichkeiten gekennzeichnet:
ν ist die Anzahl der erzeugten schnellen Neutronen;
ε – Multiplikationsfaktor für schnelle Neutronen;
P ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron thermische Energie erreicht;
ƒ – Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs während des Moderationsprozesses;
σ t /σ tot – Wahrscheinlichkeit, eine Spaltungsreaktion auszulösen.
Das Produkt dieser Wahrscheinlichkeiten ergibt eine Schätzung des Multiplikationsfaktors k thermischer Neutronen in einem Kernreaktor:
Eine Kettenreaktion findet statt, wenn k > 1; Die im Multiplikationsfaktor enthaltenen Werte haben folgende Werte: ν = 2,47; ε = 1,02; P = 0,89; ƒ = 0,88; σ t /σ ges = 0,54.
Somit ist k ∞ = 1,07 für einen Reaktor unendlicher Größe. Unter realen Bedingungen< k ∞ , т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
In schnellen Neutronenreaktoren (239 Pu und 238 U) läuft folgender Prozess ab:
Als Ergebnis dieser Reaktion entsteht 239 Pu. Das entstehende Plutonium reagiert mit einem Neutron: n + 239 Pu, ν = 2,41 Neutronen entstehen.
Die Zahl der 239 Ri-Kerne verdoppelt sich alle 7–10 Jahre.
Die Spaltungsreaktion von Atomkernen wird zur Erzeugung atomarer Energie genutzt. In vielen Kernkraftwerken sind Kernreaktoren in Betrieb.
11.6 Fusionsreaktionen, Synthese leichter Kerne
Eine weitere Quelle atomarer Energie kann die Fusion leichter Atomkerne sein. Leichte Kerne sind weniger fest gebunden und wenn sie zu einem schweren Kern verschmelzen, wird mehr Energie freigesetzt. Darüber hinaus sind thermonukleare Reaktionen aufgrund des Fehlens radioaktiver Begleitstrahlung sauberer als Spaltkettenreaktionen.
Zur Erzeugung thermonuklearer Energie können folgende Fusionsreaktionen genutzt werden:
d + d = 3 He + n + 4 MeV,
d + d = t + p + 3,25 MeV,
d + t = 4 He + n + 17.b MeV,
3 He + d = 4 He + p + 18,3 MeV,
6 Li + 2di = 2 4 He + 22,4 MeV. J
Die Energie der in die Reaktion eintretenden Kerne muss ausreichen, um die Coulomb-Potentialbarriere zu überwinden. In Abb. Abbildung 92 zeigt die Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte einiger Reaktionen. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Synthese von Deuterium-d- und Tritium-t-Kernen am meisten zu bevorzugen. Bei dieser Fusionsreaktion ist die Coulomb-Potentialbarriere niedrig und der Wechselwirkungsquerschnitt bei niedrigen Energien verschmelzender Kerne groß. Damit die Reaktion stattfinden kann, ist eine ausreichende Konzentration dieser Kerne pro Volumeneinheit und eine ausreichende Temperatur des erhitzten Plasmas erforderlich.
Die Anzahl der Fusionsereignisse R ab pro Zeiteinheit in einem Einheitsvolumen wird durch die Beziehung bestimmt
R ab = n a ·n b ·w ab (T).
w ab (T) = σ ab ·v ab ,
wobei n a, n b – Anzahl der Kerne a, b; σ ab ist der effektive Reaktionsquerschnitt, v ab ist die Relativgeschwindigkeit der Teilchen im Plasma, T ist die Temperatur. Durch die Reaktion wird Energie freigesetzt
W = R ab ·Q ab ·τ,
Dabei ist R ab die Anzahl der Fusionsakte, Q ab die in einem Akt freigesetzte Energie und τ die Zeit.
Sei n a = n b = 10 15 Kerne/cm 3, T = 100 keV. Dann W ~ 10 3 W/cm 3 s.
Bei einer sich selbst erhaltenden thermonuklearen Reaktion muss mehr Energie freigesetzt werden, als zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas aufgewendet wird. Kosten für das Erhitzen von n a = n b = 2n Teilchen auf die Temperatur T: 3n·kT: k ist die Boltzmann-Konstante. Somit muss folgende Bedingung erfüllt sein:
n 2 ·w ab ·Q ab ·τ > 3nkТ
(freigesetzte Energie > Heizenergie).
Lawson formulierte die folgende Bedingung für die d+t-Fusionsreaktion:
nτ > 10 14 s cm -3 ,
wobei nτ der Retentionsparameter ist. In Abb. Abbildung 93 zeigt die Abhängigkeit dieses Parameters von der Temperatur. Die Reaktion findet statt, wenn nτ > ƒ(T). Die Temperatur T ~ 2·10 8 K entspricht einer Energie von 10 keV. Der Minimalwert des Retentionsparameters nτ = 10 14 s/cm 3 für die d + t-Reaktion wird bei einer Temperatur von 2 · 10 8 K erreicht.
Reis. 93: Abhängigkeit der Retentionsparameter von der Temperatur. Der schattierte Bereich ƒ(T) ist die Zone der kontrollierten thermonuklearen Fusion für die Reaktion d + t. − Parameterwerte, die bis 1980 an verschiedenen Anlagen erreicht wurden.
Für andere Reaktionen:
Der Plasmaeinschluss, der die notwendigen Bedingungen für den Ablauf der Reaktion bietet, wird in Anlagen vom Tokamak-Typ realisiert Magnetfeld. Solche Anlagen gibt es in Russland und in einer Reihe anderer Länder. Wie aus Abb. ersichtlich ist. 93 wurde das kontrollierte thermonukleare Fusionsregime noch nicht erreicht.
Mit Lasersystemen wird versucht, die für die Kernfusion notwendigen Bedingungen zu schaffen. Dabei wird ein kleines Volumen, das Deuterium- und Tritiumkerne enthält, durch Laserstrahlung allseitig komprimiert. Dabei werden die Deuterium- und Tritiumkerne auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Die Laserfusion erfordert die Einführung eines Koeffizienten von 100, weil Beim Pumpen des Lasers wird viel Energie verschwendet.
Versuche, eine kontrollierte Kernfusion unter Laborbedingungen durchzuführen, stoßen auf eine Reihe von Schwierigkeiten.
- 1. Es ist immer noch nicht gelungen, ein stabiles Hochtemperaturplasmaregime zu erreichen.
- 2. Die Energieverluste im Plasma sind selbst aufgrund geringer Konzentrationen von Verunreinigungsatomen mit großem Z groß.
- 3. Das „Problem der ersten Wand“ im Tokamak, das das Reaktorplasma begrenzt, ist nicht gelöst (der Neutronenfluss zerstört es).
- 4. In der Natur gibt es kein radioaktives Tritium t mit einer Halbwertszeit T 1/2 = 12,5 Jahre, daher besteht bei der Reaktion ein Problem der Tritiumreproduktion
n + 7 Li = α + t + n.
Bisher war es nicht möglich, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine kontrollierte thermonukleare Fusionsreaktion zu erreichen.
Unter natürlichen Bedingungen finden thermonukleare Fusionsreaktionen in der Sonne und in Sternen statt.
Literatur
- 1. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Kernphysik. -M.: Nauka, 1972.
- 2. Kapitonov I.M. Einführung in die Kern- und Teilchenphysik. -M.: UPPS, 2002.
>> Kernreaktionen
§ 106 KERNREAKTIONEN
Atomkerne durchlaufen bei Wechselwirkungen Umwandlungen. Diese Umwandlungen gehen mit einer Zunahme oder Abnahme der kinetischen Energie der daran beteiligten Teilchen einher.
Kernreaktionen nennen Veränderungen in Atomkernen, wenn diese mit Elementarteilchen oder untereinander wechselwirken. Beispiele für Kernreaktionen haben Sie bereits in § 103 gesehen. Kernreaktionen treten auf, wenn Teilchen in die Nähe des Kerns kommen und in den Wirkungsbereich der Kernkräfte geraten. Wahrscheinlich geladene Teilchen stoßen sich gegenseitig ab. Daher ist die Annäherung positiv geladener Teilchen an Kerne (oder Kerne aneinander) möglich, wenn diesen Teilchen (oder Kernen) eine ausreichend große kinetische Energie verliehen wird. Diese Energie wird mithilfe von Beschleunigern auf Protonen, Deuteriumkerne – Deuteronen, -Teilchen und andere schwerere Kerne – übertragen.
Für die Durchführung von Kernreaktionen ist diese Methode wesentlich effizienter als die Verwendung von emittierten Heliumkernen radioaktive Elemente. Erstens Mit Hilfe von Beschleunigern kann Teilchen eine Energie in der Größenordnung von 10 5 MeV verliehen werden, also viel mehr als die Energie von Alphateilchen (maximal 9 MeV). Zweitens , können Sie Protonen verwenden, die im Prozess sind radioaktiver Zerfall erscheinen nicht (dies ist sinnvoll, da die Ladung von Protonen halb so groß ist wie die Ladung von -Teilchen und daher auch die abstoßende Kraft, die von den Kernen auf sie einwirkt, zweimal geringer ist). Drittens ist es möglich, Kerne zu beschleunigen, die schwerer sind als Heliumkerne.
Die erste Kernreaktion mit schnellen Protonen wurde 1932 durchgeführt. Dabei gelang es, Lithium in zwei Teilchen zu spalten:
Im Chemieunterricht haben Sie etwas über chemische Reaktionen gelernt, die zur Umwandlung von Molekülen führen. Allerdings sind Atome bei chemische Reaktionen verändere dich nicht. Betrachten wir nun das sogenannte Kernreaktionen, die zu Umwandlungen von Atomen führen. Lassen Sie uns einige Konventionen vorstellen:
Dabei ist X das Symbol des chemischen Elements (wie im Periodensystem), Z die Ladungszahl des Isotopenkerns, A die Massenzahl des Isotopenkerns.
Nummer der Atomladung ist die Anzahl der Protonen im Kern, gleich der Nummer des Elements im Periodensystem. Kernmassenzahl ist die Anzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen), die in den Kern eindringen. Ladungs- und Massenzahlen – physikalische Quantitäten, die nicht mit der Ladung und Masse des Kerns übereinstimmen.
Das Symbol bedeutet beispielsweise, dass der Kern dieses Kohlenstoffatoms die Ladungszahl 6 und die Massenzahl 12 hat. Es gibt noch andere Isotope Kohlenstoff zum Beispiel. Der Kern eines solchen Isotops enthält bei gleicher Protonenzahl ein Neutron mehr (vergleiche die Abbildungen).
Rutherfords erste Labor-Kernreaktion verlief wie folgt:
Der Kern eines Stickstoffatoms interagierte mit einem a-Teilchen (dem Kern eines Heliumatoms). Dabei entstand ein Fluorkern, ein instabiles Zwischenprodukt der Reaktion. Und dann bildeten sich daraus Sauerstoff- und Wasserstoffkerne, das heißt, es geschah Transformation einiger chemische Elemente zu anderen.
Basierend auf den Ergebnissen davon Kernreaktion Lassen Sie uns die folgende Tabelle erstellen.
Aus einem Vergleich der Zellen in der Tabelle ist ersichtlich, dass die Summen der Massenzahlen sowie die Summen der Ladungszahlen vor und nach der Kernreaktion paarweise gleich sind. Experimente zeigen das Für alle Kernreaktionen gilt dies Gesetz zur Erhaltung der Ladungs- und Massenzahlen: die Summen der Ladungs- und Massenzahlen der Teilchen vor und nach einer Kernreaktion sind paarweise gleich.
Die meisten Kernreaktionen enden nach der Bildung neuer Kerne. Es gibt jedoch Reaktionen, deren Produkte neue Kernreaktionen auslösen, sogenannte nukleare Kettenreaktionen. Ein Beispiel ist die Spaltungsreaktion von Uran-235-Kernen (siehe Abbildung). Wenn ein Neutron auf einen Urankern trifft, zerfällt es in zwei weitere Kerne und 2-3 neue Neutronen. Diese Neutronen treffen auf andere Urankerne und die Kettenreaktion geht weiter. Diese Situation ist ideal. Tatsächlich fliegen viele der erzeugten Neutronen aus der Substanz heraus und können daher nicht von Uran absorbiert werden.
Bei einem hohen Reinheitsgrad des Urans, also bei einem großen Massenanteil davon, sowie bei seiner kompakten Platzierung steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs durch einen benachbarten Kern. Man nennt die Mindestmasse eines radioaktiven Stoffes, bei der eine Kettenreaktion auftritt kritische Masse. Bei reinem Uran-235 sind es mehrere zehn Kilogramm. Es kommt sehr schnell zu einer unkontrollierten Kettenreaktion, die zu einer Explosion führt. Um es für friedliche Zwecke nutzen zu können, ist es notwendig, die Reaktion kontrollierbar zu machen, was in einem speziellen Gerät erreicht wird – Kernreaktor(siehe § 15-i).
Kernreaktionen kommen in der Natur sehr häufig vor. Zum Beispiel haben mehr als die Hälfte der Elemente des Periodensystems radioaktive Isotope.
– 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 Beträge 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 gehen mit Energieumwandlungen einher. Es gibt eine Größe, die als Energieausbeute der Reaktion bezeichnet wird und durch die Formel bestimmt wird
Delta M – Massendefekt, aber in in diesem Fall Dies ist 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
, muss folgende Bedingung erfüllt sein: Die kinetische Energie der Ausgangsprodukte muss größer sein kinetische Energie Produkte, die während der Reaktion entstehen.
Endotherme Reaktion möglich wann spezifische Bindungsenergie Die Ausgangsprodukte enthalten weniger Nukleonen spezifische Energie Verbindungen zwischen den Kernen der Endprodukte.
Beispiele für die Lösung von Kernreaktionsproblemen
Und nun ein paar praktische Beispiele mit Lösungen:
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Eine Kernreaktion ist der Prozess der starken Wechselwirkung eines Atomkerns mit einem Elementarteilchen oder einem anderen Kern, der zur Umwandlung des Kerns führt. Die häufigste Art der Kernreaktion ist eine Reaktion vom Typ wo 
- leichte Teilchen - Neutron, Proton, 
-Partikel, 
-Quantum.
Reaktionen, die durch nicht sehr schnelle Teilchen verursacht werden, laufen in zwei Stufen ab. In der ersten Stufe werden Partikel, die sich dem Kern nähern, von diesem eingefangen und bilden einen Zwischenkern – einen zusammengesetzten Kern. Die vom Teilchen eingebrachte Energie wird zwischen den Nukleonen umverteilt und der Kern befindet sich in einem angeregten Zustand. Im zweiten Stadium emittiert der Kern ein Teilchen 
.
.
Wenn 
, dann handelt es sich nicht um eine Kernreaktion, sondern um einen Dissipationsprozess. Wenn 
- elastische Streuung, wenn 
- unelastische Streuung.
Durch schnelle Nukleonen verursachte Reaktionen laufen ohne die Bildung eines Zwischenkerns ab – es handelt sich um direkte Kernwechselwirkungen.
Die Reaktionen sind unterteilt:
nach der Art der an Kernreaktionen beteiligten Teilchen.
Je nach Energie der beteiligten Teilchen (kalt, heiß)
Nach der Art der an der Reaktion beteiligten Kerne (leicht, mittel, schwer)
Aufgrund der Art der bei der Reaktion entstehenden Produkte (Elementarteilchen, Protonen, Neutronen)
Kernspaltungsreaktionen. Im Jahr 1938 entdeckten Hahn und Strassmann, dass durch die Bestrahlung von Uran mit Neutronen Elemente aus der Mitte des Periodensystems entstehen. Die Reaktion ist durch die Freisetzung einer großen Energiemenge gekennzeichnet. Anschließend wurde festgestellt, dass ein Kern, der ein Neutron eingefangen hat, auf unterschiedliche Weise spalten kann. Die Spaltprodukte werden Fragmente genannt. Am wahrscheinlichsten ist die Aufteilung in Fragmente, deren Massen im Verhältnis stehen:
Cer ist stabil
Zirkonium ist stabil.
Der Urankern ist nur durch schnelle Neutronen spaltbar. Bei niedrigeren Energien werden Neutronen absorbiert und der Kern geht in einen angeregten Zustand über – das ist Strahlungseinfang.
Neutronen, die bei der Spaltung von Uran entstehen, können eine weitere Reaktion usw. auslösen. - Das ist eine nukleare Kettenreaktion. Der Neutronenmultiplikationsfaktor ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Generation zur Anzahl der Neutronen in der vorherigen Generation. Die Kettenreaktion findet statt, wenn 
.
Aufgrund der endlichen Größe des spaltbaren Körpers und der hohen Durchschlagskraft verlassen viele Neutronen die Reaktionszone, bevor sie vom Kern eingefangen werden. Unterschreitet die Masse des spaltbaren Urans eine bestimmte kritische Masse, fliegen die meisten Neutronen heraus und es kommt nicht zu einer Kettenreaktion. Ist die Masse größer als kritisch, vermehren sich Neutronen schnell und die Reaktion hat den Charakter einer Explosion (die Wirkung beruht darauf). Atombombe). In Reaktoren wird die kritische Masse durch die Absorption überschüssiger Neutronen mit Cadmium- und Kohlenstoffstäben eingestellt.
Die Fusion leichter Kerne zu schwereren ist eine Fusionsreaktion. Wenn die Reaktion bei hohen Temperaturen stattfindet, handelt es sich um eine thermonukleare Reaktion. Die thermonukleare Reaktion ist offenbar eine der Energiequellen für Sonne und Sterne.
Arten der Wechselwirkung von Elementarteilchen.
Die Entwicklung der Elementarteilchenphysik ist mit der Erforschung der kosmischen Strahlung verbunden. Es gibt zwei Arten kosmischer Strahlung: primäre Strahlung, die aus dem Weltraum kommt und hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen besteht, und sekundäre Strahlung, die durch die Wechselwirkung primärer kosmischer Strahlung mit den Atomkernen in der Erdatmosphäre entsteht. Bei der Sekundärstrahlung werden harte und weiche Komponenten unterschieden.
Es gibt 4 Arten der Interaktion:
Die starke Wechselwirkung ist 100-mal größer als die elektromagnetische Wechselwirkung und 10-14-mal größer als die schwache Wechselwirkung. Der Aktionsradius des Starken beträgt 10 -15 m, der des Schwachen 10 -19 m.
