Ядерные реакции деления и синтеза. Ядерная энергетика

Ядерной реакцией называется искусственное превращение атомных ядер в результате их взаимодействия друг с другом или с элементарными частицами. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. При ядерных реакциях выполняются законы сохранения:1) закон сохранения числа нуклонов (массового числа) . 2)закон сохранения зарядового числа (заряда): . 3) закон сохранения релятивисткой полной энергии: . 4) закон сохранения импульса: . Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам: 1) по роду участвующих в реакции частиц (бомбардирующих частиц) (реакция под действием нейтронов). 2) по энергии бомбардирующих частиц (реакции при малых энергиях, при средних энергиях). 3) по роду участвующих в реакции ядер (реакция на легких ядрах, средних ядрах). 4) по характеру происходящих ядерных превращений (реакция и испускания заряженных частиц). Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются так же различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «Кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер. Ядерная энергетика (атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производствомэлектрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 илиплутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

54. Радиоактивность. Природа превращений. Закон радиоактивного распада.

Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение ядер неустойчивых изотопов одного химического элемента в ядра изотопов других химических элементов. Радиоактивность впервые обнаружена Беккерелем у солей урана. Естественная рад-ть наблюдается, как правило, у ядер тяжелых элементов, располагающихся в таблице Менделеева за свинцом. Скорость распада неодинакова и хар-ся периодом полураспала. Период полураспада -промежуток времени Т, в течении, которого распадается половина первоначального кол-ва ядер. Распад ядер происходит независимо друг от друга, поэтому число ядер dN распавшихся за время dt будет зависеть только от свойств этих ядер, их количества N и времени наблюдения (распада) dt: , где - постоянная радиоакт-го распада, «- «указывает на уменьшение числа ядер. Интегрируя данное выражение, с учетом начальных условий t=0, N=N₀получим: – закон радиоактивного распада, где – начальное число ядер, N – число оставшихся ядер к моменту времени t. Постоянная распада связана с периодом полураспада соотношением: , где – это время за которое распадется половина начального числа ядер. ; . Периоды полураспада известных радиоактивных ядер колеблются от лет. Период полураспада и величины характерные для каждого элемента. Время жизни ядер . Исследование прохождения радиоактивного излучения через магнитное или электрическое поле, показало, что существует 3 вида радиоактивного излучения: излучения. излучения отклоняются в туже сторону что и положительные частицы, - не отклоняются, а – в противоположную сторону. 1) -распад. -излучения представляют собой поток ядер гелия . Распад происходит по следующему правилу смещения: , т.е. при -распаде дочерний элемент смещается на 2 номера влево в таблице Менделеева с уменьшением массового числа А на 4 единицы. 2) -распад. Существует 3 разновидности превращений: - распад (электронный распад); - распад (позитронный распад); электронный захват. В этом случае ядро поглощает один из электронных K-,L-,N- оболочек. Правило смещения для - распада: . При -распаде ядро испускает электрон и частицу – электронный антинейтрино. При этом ядро смещается вправо на 1 единицу, сохранение массового числа А. правило смещения для - распада: , где –позитрон (античастица электрона), – нейтрино. Процесс - распада протекает так, как если бы один из протонов ядра испустив позитрон и нейтрино превратился в нейтрон: . Основной особенностью -распада является то, что спектр энергии испускаемых частиц непрерывен.Max энергия определяется разностью энергий материнской и дочерних ядер. Для объяснения появления в спектре излучения частиц с энергией меньшей Е_maxПауль предположил в 1932, что наряду с вылетанием электрона либо позитрона вылетают частицы имеющие нулевой заряд, нулевую массу и спин S=1/2. По предположению Ферми данную частицу назвали нейтрино. Правило смещения для электронного захвата: ; . При электронном захвате освобожденное место занимается более высоко расположенным электроном. В результате такого перехода возникает рентгеновское излучение. 3) -излучения. Оно не является самостоятельным излучением, а обязательно сопровождает -распад и -превращения. Оно вытекает при ядерной реакции торможения заряженных частиц и их распада. Спектр -излучения дискретен, что указывает на дискретность энергетических состояний ядер. -излучения – это электромагнитное излучение.

Активностью А нуклида в радиоактивном источнике наз-ся величина, равная отношению числа распавшихся ядер ко времени, за которое распад произошел, т.е. это число распадов в единицу времени. . С учетом , где начальная активность, - число в начальный момент времени радиоактивных атомов.В СИ единицей активности явл 1Беккерель (Бк)(это активность радиоакт-го препарата, в котором происходит распад одного ядра за 1с). Внесистемная единица – 1 кюри=3,7*10¹⁰ Бк.