3. Реакции синтеза и деления ядер

Определения и обозначения

Ядерный синтез — соединение лёгких атомных ядер в более тяжёлое ядро с возможным выделением энергии. Он объясняет работу звёзд и является основой поисков термоядерной энергетики. В задачах синтез узнают по объединению ядер.

Деление ядра — распад тяжёлого атомного ядра на два осколка с испусканием нейтронов и выделением энергии. Такие реакции используют в ядерных реакторах. По составу продуктов можно проверить сохранение массового и зарядового чисел.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны одной реакции вызывают новые реакции деления. Каждое следующее поколение нейтронов поддерживает или изменяет ход процесса. Это понятие нужно, чтобы отличать одиночное деление от самоподдерживающейся реакции.

Критическая масса — минимальная масса делящегося вещества, при которой цепная реакция может поддерживаться самостоятельно. Если вещества меньше, слишком много нейтронов покидает его поверхность. Поэтому критическая масса зависит не только от вещества, но и от формы и условий.

Как это устроено

Энергия выделяется, когда продукты реакции имеют большую суммарную энергию связи, чем исходные ядра. Более прочно связанное состояние обладает меньшей массой, поэтому разность масс превращается в энергию по формуле E = Δmc². Исчезает не вся масса вещества, а лишь очень небольшая её часть.

При синтезе лёгкие ядра должны подойти очень близко, чтобы ядерные силы смогли их связать. Положительные заряды ядер отталкиваются, поэтому обычных столкновений недостаточно. Чрезвычайно высокая температура увеличивает скорость ядер, а давление удерживает их вместе и повышает вероятность успешных столкновений.

Тяжёлое ядро после поглощения нейтрона становится возбуждённым и менее устойчивым. Оно деформируется и разделяется на два осколка, потому что ядерного притяжения уже недостаточно для удержания всей системы. Осколки и новые нейтроны разлетаются, а разность энергий связи переходит в кинетическую энергию и нагрев.

Цепная реакция начинается, когда нейтрон вызывает деление и из ядра вылетают новые нейтроны. Они могут попасть в другие ядра и вызвать следующие деления, образуя поколения реакций. Если в среднем сохраняется меньше одного эффективного нейтрона на деление, процесс затухает; при одном он устойчив, а при числе больше единицы нарастает.

В реакторе цепная реакция управляемая: её поддерживают около устойчивого режима, а выделившееся тепло отводят. Замедлитель уменьшает скорость нейтронов, делая их более подходящими для новых делений. Управляющие стержни поглощают часть нейтронов и регулируют мощность, а теплоноситель переносит тепло к устройствам, где получают полезную энергию.

Сравнение реакций синтеза и деления ядер

Таблицу удобно читать по строкам, если нужно сравнить одно свойство двух процессов. По столбцам можно восстановить особенности конкретной реакции. Главное различие: синтез объединяет лёгкие ядра, а деление распадается тяжёлое ядро.

Разбор задач

Задача 1. Масса системы уменьшилась на 0,001 г. Нужно определить выделившуюся энергию. Используем связь дефекта массы и энергии, не забывая перевести массу в единицы СИ.

1. Переводим массу: 0,001 г = 10⁻⁶ кг.
2. Подставляем в формулу E = Δmc²: E = 10⁻⁶ · (3 · 10⁸)² = 9 · 10¹⁰ Дж.
3. Следовательно, даже такой малый дефект массы соответствует огромной энергии.

Ответ: E = 9 · 10¹⁰ Дж.

Задача 2. В уравнении деления известны исходное ядро и один осколок, но не записаны второе ядро и число испущенных нейтронов. Их нужно найти по законам сохранения массового и зарядового чисел.

1. Для массовых чисел записываем: A₁ + 1 = A₂ + A₃ + n, где добавленная единица — поглощённый нейтрон.
2. Для зарядовых чисел записываем: Z₁ = Z₂ + Z₃, поскольку нейтрон не имеет электрического заряда.
3. Подставляем известные значения и решаем два уравнения. Полученное массовое число определяет изотоп, а n — количество нейтронов.

Ответ: недостающее ядро и число нейтронов находятся совместным применением двух законов сохранения.

Задача 3. За одно деление в среднем возникает 0,8, 1 или 1,2 новых деления. Требуется определить характер цепной реакции. Сравним коэффициент размножения с единицей.

1. При k = 0,8 каждое поколение слабее предыдущего, поэтому реакция затухает.
2. При k = 1 число делений сохраняется примерно постоянным, и реакция устойчива.
3. При k = 1,2 каждое поколение больше предыдущего, поэтому реакция нарастает.

Ответ: 0,8 — затухающая реакция, 1 — устойчивая, 1,2 — нарастающая.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что энергия появляется из-за полного исчезновения массы. Так думают, потому что формула E = mc² связывает массу и энергию напрямую. Проверка: в расчёте нужно использовать именно дефект массы Δm, то есть небольшую разность масс.

Ошибка: путать синтез с делением. Причина — оба процесса сопровождаются выделением энергии и ядерными превращениями. Проверка проста: объединение лёгких ядер означает синтез, распад тяжёлого ядра на осколки — деление.

Ошибка: нарушать сохранение массового или зарядового числа в уравнении. Это происходит, если забыть поглощённый или испущенный нейтрон. Проверяйте отдельно сумму массовых чисел и сумму зарядовых чисел слева и справа.

Ошибка: называть любую реакцию деления цепной. Одного деления недостаточно: его нейтроны должны вызвать новые деления в нужном количестве. Проверьте коэффициент размножения и наличие условий, близких к критическим.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атомного ядра, состав ядер, изотопы, массовое и зарядовое числа. Реакции опираются на энергию связи, дефект массы и формулу Эйнштейна E = mc². Эти знания помогают объяснить работу реакторов и термоядерных установок, а также правила радиационной безопасности.

Что запомнить

• Синтез — объединение лёгких ядер, деление — распад тяжёлого ядра.
• Ядерная энергия связана с дефектом массы: E = Δmc².
• Для синтеза необходимо преодолеть электрическое отталкивание ядер.
• При делении тяжёлого ядра обычно выделяются осколки и несколько нейтронов.
• Цепная реакция поддерживается, если нейтроны одного поколения вызывают следующие деления.
• В реакторе цепная реакция поддерживается и регулируется управляемым образом.
• В ядерных уравнениях сохраняются массовое и зарядовое числа.