"Физика", Грачёв А.В., Погожев В.А., Боков П.Ю.
Ядерные реакции изменяют состав атомных ядер и сопровождаются превращением энергии. При делении тяжёлые ядра распадаются с выделением нейтронов, а при синтезе лёгкие ядра соединяются при огромной температуре. Эти процессы лежат в основе работы атомных электростанций и свечения звёзд. Главное — понимать законы сохранения, связь энергии с дефектом массы и условия протекания цепной реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. Её записывают так: исходное ядро + частица → продукты реакции. Такая запись помогает проверить сохранение массового числа A и зарядового числа Z.
Деление ядер — распад тяжёлого ядра на два или несколько более лёгких ядер. Одновременно часто вылетают свободные нейтроны, а энергия выделяется в виде кинетической энергии осколков и излучения. Это явление используют в ядерных реакторах.
Синтез ядер — соединение лёгких ядер в более тяжёлое ядро. Для сближения положительно заряженных ядер нужна очень высокая температура, поэтому вещество превращается в плазму. Синтез объясняет работу звёзд и рассматривается как перспективный источник энергии.
Цепная ядерная реакция — самоподдерживающееся деление ядер, при котором нейтроны от одного деления вызывают новые деления. Если каждое поколение нейтронов воспроизводит следующее, реакция продолжается. Управление числом нейтронов позволяет сделать её устойчивой.
Состав ядра изменяется, когда оно поглощает или испускает частицу либо сталкивается с другим ядром. Поэтому в записи указывают символ ядра, массовое число A и зарядовое число Z: ¹⁴₇N означает ядро азота с 14 нуклонами и 7 протонами. В любой реакции сумма A и сумма Z слева должны совпадать с соответствующими суммами справа.
Энергия выделяется из-за различия энергии связи исходных и конечных ядер. Если после реакции суммарная масса продуктов меньше исходной, дефект массы Δm превращается в энергию по формуле E = Δmc². При делении тяжёлого ядра и при синтезе лёгких ядер образуются более устойчивые ядра с большей энергией связи в расчёте на один нуклон.
При делении ядра урана-235 один нейтрон поглощается ядром, после чего оно становится неустойчивым и распадается на осколки. При этом рождаются новые нейтроны, способные вызвать следующие деления. Коэффициент размножения показывает, во сколько раз число эффективных нейтронов следующего поколения больше числа предыдущего: при k = 1 реакция самоподдерживается, при k < 1 затухает, а при k > 1 усиливается.
На атомной электростанции осколки деления передают энергию окружающему теплоносителю, например воде. Тепло превращает воду в пар, пар вращает турбину, а турбина приводит в действие электрический генератор. Стержни-поглотители нейтронов регулируют мощность, а системы охлаждения отводят лишнее тепло.
В недрах Солнца и звёзд водородные ядра сталкиваются и постепенно превращаются в ядра гелия. Огромные температура и давление создаются гравитацией, а плазма удерживается самой звездой. На Земле таких условий нет естественным образом, поэтому для управляемого синтеза нужны сверхгорячая плазма, достаточная плотность и длительное удержание.
| Свойство | Деление ядер | Синтез ядер |
|---|---|---|
| Какие ядра участвуют | Тяжёлые ядра, например уран | Лёгкие ядра, например изотопы водорода |
| Как происходит реакция | Одно ядро распадается на осколки | Несколько ядер соединяются |
| Необходимые условия | Поглощение нейтрона и подходящий состав топлива | Очень высокая температура, плотность и время удержания |
| Основные продукты реакции | Осколки деления, нейтроны, излучение | Более тяжёлое ядро, частицы и энергия |
| Источник выделяющейся энергии | Увеличение энергии связи на нуклон | Увеличение энергии связи на нуклон |
| Возможность цепной реакции | Возможна благодаря нейтронам | Обычная цепная реакция не возникает |
| Пример применения или протекания | Атомная электростанция | Солнце и другие звёзды |
Таблицу удобно использовать для сравнения не только исходных ядер, но и условий реакции. Общее у процессов — превращение части массы в энергию, а главное различие состоит в направлении превращения: тяжёлые ядра делятся, лёгкие объединяются.
Задача 1. Записать превращение ядра азота-14 при захвате α-частицы с образованием кислорода-17 и протона. Нужно определить неизвестные массовое и зарядовое числа.
Ответ: массовое число протона равно 1, его зарядовое число равно 1; у кислорода получаются A = 17 и Z = 8. Законы сохранения выполнены.
Задача 2. При делении суммарная масса продуктов уменьшилась на 0,20 а.е.м. Найти выделившуюся энергию. Используем 1 а.е.м. ≈ 1,66 × 10⁻²⁷ кг и c = 3,0 × 10⁸ м/с.
Ответ: примерно 3,0 × 10⁻¹¹ Дж на одно такое деление.
Задача 3. В идеализированной цепной реакции каждое деление вызывает два новых деления. Найти число делений за четыре поколения, если в первом поколении было одно деление, и энергию при 200 МэВ на деление.
Ответ: 15 делений и около 4,8 × 10⁻¹⁰ Дж. В реальном реакторе учитывают поглощение нейтронов и потери, поэтому рост не бывает таким идеальным.
Ошибка: считать, что масса каждого ядра сохраняется. Её допускают, потому что в обычных химических реакциях масса почти постоянна. Проверяйте отдельно сохранение A и Z, а энергию вычисляйте через E = Δmc².
Ошибка: путать деление тяжёлого ядра с радиоактивным распадом. При обычном распаде ядро испускает α- или β-частицу, а при делении образуются несколько крупных осколков и часто нейтроны. Сосчитайте, сколько самостоятельных ядер возникает в результате.
Ошибка: думать, что для любой ядерной реакции достаточно высокой температуры. Нагрев особенно необходим для синтеза, но устойчивость плазмы определяется также плотностью и временем удержания. Проверяйте, о делении или синтезе идёт речь.
Ошибка: смешивать атомную электростанцию с ядерным оружием. В обоих случаях используется энергия цепной реакции, но в реакторе её поддерживают около k = 1 и регулируют, а в оружии стремятся к быстрому неуправляемому росту. Сравнивайте режим реакции и наличие систем управления.
Для понимания параграфа нужны строение атомного ядра, массовое и зарядовое числа, изотопы и радиоактивность. Также используется закон сохранения энергии.
Тема опирается на дефект массы и энергию связи ядра. Главная формула — E = mc², связывающая массу и энергию.
Эти знания пригодятся при изучении строения звёзд, термоядерной энергетики, радиационной безопасности и способов получения электроэнергии.
Почему при ядерных реакциях выделяется энергия, если масса не сохраняется?
В ядерной реакции часть массы может превращаться в энергию по формуле E = mc². Сохраняются не масса каждого отдельного ядра, а электрический заряд, число нуклонов и полная энергия системы.
Чем ядерная реакция отличается от радиоактивного распада?
Радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия. Ядерная реакция обычно начинается при столкновении ядра с частицей или другим ядром, хотя некоторые реакции могут быть самоподдерживающимися.
Почему цепная реакция не выходит из-под контроля в атомном реакторе?
В реакторе число нейтронов регулируют поглощающие стержни и другие системы управления. Они поддерживают коэффициент размножения нейтронов около единицы, поэтому реакция идёт устойчиво.
Почему синтез ядер происходит в звёздах, но пока трудно используется на Земле?
В звёздах огромные температура и давление создаются их собственной гравитацией. На Земле плазму нужно искусственно нагревать и удерживать, что требует сложных установок и больших затрат энергии.
Можно ли считать атомную электростанцию источником возобновляемой энергии?
Атомная энергетика не относится к возобновляемой, потому что запасы ядерного топлива ограничены. Однако при работе АЭС почти не образуется углекислый газ, а топлива требуется сравнительно мало.
§ 58. Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика. Источники энергии Солнца и звезд
