Ядерные реакции. Связь энергии и массы. Дефект масс

Изменение структуры ядра превращает атом в другой химический элемент. Ядра, отличающиеся только количеством нейтронов, называются изотопами. Если же изменяется число протонов, то мы получаем новый элемент периодической таблицы Менделеева, обладающий совсем другими химическими свойствами. Помимо радиоактивности ядерные реакции могут происходить при бомбардировке вещества другими частицами (например a-частицами). Особенно удачной оказывается бомбардировка нейтронами, которые электрически нейтральны и поэтому не отталкиваются протонами атомного ядра. Даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояние, при котором начинают действовать ядерные силы.

Нейтрон придает ядру дополнительную энергию, после чего ядро может стать нестабильным и «развалиться» на более простые составляющие, которые отталкиваются друг от друга кулоновскими (электрическими) силами. При этом осколки ядра приобретают высокую энергию, которая в настоящее время используется как в мирных (атомные электростанции), так и в военных (атомная бомба) целях. Такие ядерные реакции называются реакциями деления.

Теория утверждает, что возможно лишь расщепление таких тяжелых ядер, как ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu. Типичным примером является деления ядра изотопа урана ²³⁵U под действием нейтронов n на два осколка А₁ и А₂ с образованием нейтрино n и высвобождением энергии Е: ²³⁵U + n А₁ + А₂ + n + Е. Дочерние ядра А₁и А₂ оказываются радиоактивными, так как по сравнению со своими устойчивыми изотопами содержат излишнее количество нейтронов. Эти нейтроны могут «выбрасываться» из ядер. При каждом акте деления высвобождается 2-3 нейтрона, каждый из которых в свою очередь может вызвать расщепление еще одного ядра урана. В результате формируется цепная реакция, характеризующаяся лавинообразным расщеплением ядер урана. Для начала цепной реакции необходимо сосредоточить большое количество ядер урана в достаточно компактной области. Минимальная масса урана, при которой начинается цепная реакция деления, называется критической массой.

Делиться могут только относительно неустойчивые тяжелые ядра. В отношении легких ядер (водород, гелий и т.д.) более характерной является реакция ядерного синтеза. Если сложить массы всех нуклонов (протонов и нейтронов), образующих атомное ядро, то получим число, большее, чем действительная масса данного ядра, приведенная в таблице Менделеева. Например для гелия m_He = 2m_р+2m_n+2m_e = 21,00727+21,00865+20,00055 = 4,03294, в то время как по таблице m_He = 4,00261 (здесь m_р – масса протона, m_n - масса нейтрона, m_e - масса электрона). То есть масса ядра оказывается меньше суммарной массы компонентов, из которого состоит ядро на величину Dm, называемую дефектом масс.

Согласно общей теории относительности дефект масс соответствует энергии E = mc². Эта энергия называется энергией связи. Если частицы, обладающие собственной энергией приблизить друг к другу до расстояний, при которых начинают действовать ядерные силы, то образуется целостная система, энергетически более выгодная (с меньшей внутренней энергией), чем исходная система разрозненных частиц. При этом излишек исходной энергии частиц высвобождается в форме энергии связи, которая может придать определенную скорость образовавшемуся ядру, то есть разогреть получившееся в итоге вещество.

Условия, необходимые для реакции ядерного синтеза, возникают, например, в недрах звезд, где гравитационное сжатие вещества приводит к его разогреву до таких температур, при которых отдельные ядра могут преодолевать силы кулоновского отталкивания и сближаться друг с другом до критических расстояний. Аналогичные условия могут возникать при взрыве атомной бомбы. При этом реакция расщепления урана создает условия, аналогичные условиям в недрах звезд, после чего начинается реакция синтеза, например, ядер гелия из ядер водорода. На этом принципе основано действие термоядерной бомбы.

Дата добавления: 2014-01-07