Реакция синтеза атомных ядер

Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромного количества энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Z₁ и Z₂ должны обладать энергией:

(15.7)

где r_ядра – радиус действия ядерных сил. Эта энергия составляет величину ~ 0.7 МэВ, т.е. на долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0.35 МэВ. Чтобы покрыть дефицит такой энергии за счет теплового движения, температура в зоне реакции должна составлять примерно 10⁹ К. Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение.

Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10⁷ К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷ К. При такой температуре протекает реакция синтеза дейтрона d и ядра трития :

(15.8)

Эта реакция сопровождается выделением энергии, равной 17.6 МэВ, что составляет около 3.5 МэВ на один нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра урана приводит к высвобождению приблизительно 0.85 МэВ на нуклон. Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

До недавнего времени считалось, что синтез ядер водорода в ядра гелия является основным источником энергии Солнца и других звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ – 10⁸ К. Эта теория подвергнута сомнениям, т.к. в раскаленных звездах должно протекать бесчисленное множество реакций синтеза, и они должны сопровождаться выделением нейтрино. Однако, количество выделяющихся на солнце нейтрино крайне мало.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем пособии были рассмотрены основные вопросы квантовой физики - квантовая природа электромагнитного излучения, физика атомов, молекул, кристаллических тел и ядер, представлены элементы квантовой механики. Уделено внимание тому, как квантовые свойства микрообъектов отражаются на макроскопических характеристиках тел. Приведен ряд примеров прикладного использования квантовых явлений в науке и технике.

Пособие предусмотрено для использования в качестве дополнительного материала при самостоятельном изучении курса студентами-бакалаврами 1-2 курсов инженерно-технических специальностей ВТУЗов.

Приведенный в пособии материал, с одной стороны, является достаточным для формирования целостной картины природы квантового мира, с другой стороны, изложен достаточно кратко, чтобы его можно было изучить в рамках отведенного времени.

Дата добавления: 2014-11-29