Ядерные и химические реакции. Реакции распада и синтеза

 Различные механизмы ядерных реакций отличаются разным временем протекания. Наименьшее время имеет прямая ядерная реакция. Это время, которое необходимо частице, чтобы пройти область пространства, занимаемую ядром (~ 10^-22 сек). Среднее время жизни составного ядра значительно больше (до 10^-15 — 10^-16 сек). При малых энергиях налетающих частиц основным механизмом Ядерной реакцией, как правило, является образование составного ядра (за исключением ядерной реакции с дейтронами). При больших энергиях преобладают прямые процессы. 

 Характер зависимости эффективных сечений ядерных реакций s от энергии x налетающих частиц s(x) различен для разных механизмов ядерных реакций. Для прямых процессов зависимость s(x) имеет монотонный вид. В случае ядерных реакций, идущих с образованием составного ядра, при малых энергиях частиц в s(x) наблюдаются максимумы, которые соответствуют уровням энергии составного ядра. В области больших энергий (x ³ 15 Мэв для средних и тяжёлых ядер) уровни энергии составного ядра перекрываются и сечение монотонно зависит от энергии. На этом фоне выделяются более широкие максимумы, соответствующие возбуждению изобар-аналоговых состояний (состояний ядра, у которых изотопический спин больше, чем в основном состоянии), а также т. н. гигантские резонансы. Эти более широкие максимумы соответствуют уровням ядра, образующимся при слиянии ядра с налетающей частицей; они имеют более простую структуру, чем уровни составного ядра. Время жизни т возбуждённого ядра связано с полной шириной Г наблюдаемых максимумов соотношением:  ( — Планка постоянная). 

 При распаде составного ядра конечное ядро может образовываться как в основном, так и в возбуждённых состояниях. Энергетический спектр продуктов распада составного ядра в области более высоких энергий состоит из отдельных линий, в области низких энергий вылетающих частиц имеет широкий максимум. Угловое распределение конечных продуктов (в системе центра масс) в резонансной области энергии симметрично относительно направления, образующего угол 90° с направлением налетающих частиц. В области энергии, где энергетические уровни составного ядра перекрываются, квантовые характеристики различных уровней составного ядра усредняются и угловое распределение испускаемых частиц оказывается, как правило, сферически симметричным.  

 Частицы — продукты ядерных реакций, как правило, поляризованы. Поляризация возникает и в том случае, когда пучок бомбардирующих частиц не поляризован. Если же он поляризован, то наблюдается азимутальная асимметрия продуктов ядерной реакции, под действием нейтронов в большинстве случаев протекают с поглощением энергии Q. При ядерной реакции (n, p) для большинства ядер Q невелико (исключение составляют ³H и ¹⁴N). Для ядерных реакций (п, а) в случае лёгких ядер поглощаемая энергия Q также невелика (исключение составляют ⁶Li и ¹⁰B), для средних и тяжёлых ядер выделяется небольшое количество энергии. Ядерные реакции, в которых образуется больше 2 частиц, протекают с поглощением энергии, равной энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, например для ядерной реакции (n, 2n) она~10 Мэв. Особое место в этом смысле занимает реакция деления тяжёлых ядер, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Реакция деления для некоторых ядер (например, ²³⁸U) имеет энергетический порог (нейтроны должны иметь достаточно большую энергию), связанный с необходимостью преодоления потенциального барьера деления. Деление под действием медленных нейтронов испытывают ядра ²³⁵U, ²⁴²Am, ²⁴⁵Cm, ²⁴⁹Cf. 

 Для медленных нейтронов основной процесс — радиационный захват нейтрона — ядерная реакция (n, g). Исключение составляют ³He и ¹⁴N, для которых основной процесс — ядерная реакция (n, p), а также ⁶Li и ¹⁰B, для которых преобладает ядерная реакция (n, a). У средних и тяжёлых ядер потенциальный барьер препятствует вылету протонов и a-частиц. Область энергий x_n медленных нейтронов является резонансной. Большинство ядер обнаруживает резонансный захват при x_n ³ нескольких эв. При x_n < 1 эв для большинства ядер эффективное сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов (закон 1/v). 

 С увеличением энергии нейтронов x_n уменьшается вероятность резонансного захвата и увеличивается вероятность их упругого рассеяния ядрами (n,n’). Когда x_n становится больше энергии первого возбуждённого состояния ядра-мишени (десятки и сотни кэв), возможно неупругое рассеяние нейтронов (n,n’). При x_n порядка нескольких Мэв главную роль играют упругое и неупругое рассеяния нейтронов; становятся заметными ядерные реакции (n, p) и (n, a), однако их сечения меньше сечения (n, n'). Когда x_n достигает 5—10 Мэв, преобладающую роль играют ядерная реакция (n, 2n). 

.

3. Реакция распада и синтеза

 3.1 Реакция синтеза

Термоядерная реакция (синоним: ядерная реакция синтеза) --- разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые.

         Для того  чтобы произошла реакция синтеза,  исходные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением, то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной». Этот термин может использоваться даже в тех случаях, когда реакция ядерного синтеза происходит при низкой температура, например в том случая, когда кинетическая энергия ядер связан с их направленным движением, а не тепловым

3.2. Реакция распада

Ядерные цепные реакции – самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях, когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее 1 нейтрона, что обеспечивает поддержание реакции. Ядерные цепные реакции - способ извлечения ядерной энергии.

Для начала перечислим три "классических" вида радиоактивности, открытых еще  в конце девятнадцатого века (есть и кое-что еще, но это уже детали). Для обозначения этих видов исторически  применяются три первые буквы греческого алфавита - альфа, бета и гамма. С точки зрения физики, самая простая форма радиоактивности - это гамма-распад, в ходе которого рождаются высокоэнергетичные кванты электромагнитного излучения. Их испускают возбужденные ядра, которые при этом теряют энергию, но в остальном остаются подобными самим себе - иначе говоря, не меняют ни заряда, ни атомного веса.

Альфа-распад уже посложнее. В этом случае ядро испускает альфа-частицу, иначе говоря, ядро гелия-4, состоящее  из двух протонов и двух нейтронов. Так распадаются тяжелые ядра, которые теряют устойчивость из-за наличия большого числа положительно заряженных протонов, отталкивающихся друг от друга по закону Кулона. При альфа-распаде возникает дочернее ядро, заряд которого меньше заряда материнского ядра на две единицы, а вес - на четыре. Однако частицы, которые образуют ядро, протоны и нейтроны, при этом не меняются, иначе говоря, не испытывают никаких превращений.

Самая интересная разновидность радиоактивности - это бета-распад, который существует в двух основных формах - электронной и позитронной. В первом случае ядро испускает электрон и антинейтрино, во втором - позитрон и нейтрино. Масса ядра при этом в первом приближении остается той же самой, а вот заряд меняется на единицу - в первом случае увеличивается, а во втором уменьшается. К слову сказать, нейтрино, самые загадочные и неуловимые частицы микромира, были открыты как раз при исследовании процессов бета-распада.

Все дело в том, что в самих  ядрах ни электронов, ни нейтрино, ни их античастиц (позитронов и антинейтрино) конечно же нет. Это означает, что они не "отламываются" от ядер, подобно альфа-частицам, а каким-то образом возникают в процессе бета-распада. Этот процесс впервые объяснил великий итальянский физик Энрико Ферми - в 1934 г. Согласно его теории, в основе электронного бета-распада лежит превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, в то время как позитронный бета-распад происходит при превращении протона в нейтрон, позитрон и нейтрино (для точности можно отметить, что в середине тридцатых годов нейтрино и антинейтрино еще не различали, это пришло позднее). В своей основе теория Ферми сохранилась и до нашего времени, хотя и с определенными модификациями. Самая важная из них состоит в том, что сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны "сложены" из кварков, частиц с дробными электрическими зарядами, которые не существуют в свободном состоянии. Превращения протонов и нейтронов, имеющие место в процессе бета-распада - это на самом деле превращения составляющих их кварков. Таким образом, бета-распад - это единственная форма радиоактивности, при которой изменения происходят на кварковом уровне. Он имеет место не только внутри ядер - точно таким же образом распадаются и свободные нейтроны, причем их среднее время жизни очень невелико, всего четверть часа. Из общепринятой теории фундаментальных взаимодействий вытекает, что нестабильны и свободные протоны, однако их время жизни неизмеримо превышает возраст нашей Вселенной.

Вернемся к позитронному бета-распаду, в ходе которого исчезает протон и возникают нейтрон, позитрон и нейтрино. С точки зрения общих принципов релятивистской квантовой механики испускание электрона эквивалентно поглощению его античастицы, то есть обычного электрона. Это означает, что возможен бета-процесс, при котором атомное ядро самопроизвольно захватывает находящийся поблизости электрон и "отдает" его одному из своих протонов. Протон, которому посчастливилось получить этот сомнительный подарок, превращается в остающийся в ядре нейтрон и покидающее его нейтрино. Конечный результат тот же самый, что и при позитронном бета-распаде - ядро с тем же атомным весом и меньшим на единицу зарядом.

Возникает вопрос - откуда взяться  электрону? Конечно, его можно разогнать  в ускорителе и столкнуть с  ядром, но мы ведь сейчас говорим об естественной радиоактивности, которая существует в природе без какого-либо вмешательства человека. Оказывается, что некоторые атомные ядра способны похищать электроны своих собственных внутренних оболочек и использовать их в качестве запалов бета-распада. Теоретически этот процесс в 1936 г. предсказали японские физики Хидеки Юкава и Шоичи Саката, а экспериментально его двумя годами позже обнаружил американец Луис Альварес. В физической литературе он получил название электронного захвата. В частности, этому виду бета-распада подвержен бериллий-7, ядро которого может "стянуть" с орбиты один из своих электронов и превратиться в ядро лития.

А теперь пойдем дальше. Нетрудно догадаться, что вероятность электронного захвата  зависит от плотности электронов вблизи ядра - она обязана увеличиваться вместе с ростом этой плотности и падать при ее снижении. Это означает, что среднее время жизни ядер радиоактивного элемента, способных осуществлять электронный захват, может меняться в зависимости от того, входят ли они в состав чистого образца этого элемента или в состав его химического соединения. Этот вывод уже проверен и подтвержден в эксперименте, причем сдвиг времени жизни (или, если угодно, периода полураспада) может в таких случаях составлять доли процента. Следовательно, радиоактивные элементы этой группы заведомо непригодны для использования в качестве атомных часов при радиоизотопной датировке.

Заключение

Химические реакции используются для определения качества продуктов, создания новых материалов, получения энергии.

Основные современные способы  получения энергии основаны на химических или ядерных реакциях. В таблице1 для сравнения приведены приближенные значения удельного энергетического  выхода для различных способов получения  энергии.

Табл.1.

Наименее эффективны способы получения  энергии, основанные на сжигании топлива. Атомная энергетика имеет на несколько  порядков лучшие показатели. Наиболее эффективным сейчас считается управляемый термоядерный синтез. Во всех приведенных способах процесс получения энергии сопровождается появлением веществ, небезопасных для биосферы. Исходные химические элементы никуда не деваются, а образуют новые химические или ядерные соединения, которые остаются в виде отходов или попадают в атмосферу. Как видим, наиболее распространенный способ, основанный на сжигании энергоносителей, имеет очень малый энергетический выход и вдобавок очень сильно загрязняет окружающую среду. Не являются идеальными и другие способы получения энергии.

Решение проблемы экологической безопасности видят в использовании водорода в качестве энергоносителя. Водород  привлекателен тем, что при его  сжигании образуется вода – совершенно безопасное вещество. Считается, что по экологической безопасности у водорода нет конкурентов. Однако реализация этой задачи сдерживается большими энергозатратами на получение водорода из воды. Если нефть, газ и уголь — это готовые энергоносители, то водород в чистом виде на Земле отсутствует. Чтобы получить водород его необходимо добыть из воды, на что затрачивается электроэнергия, ранее полученная путем сжигания все тех же традиционных энергоносителей. Поэтому, экологически чистому использованию водорода все равно предшествует экологически опасный способ получения энергии для разложения воды.

Химия дает нам возможность найти  новые способы получения энергии, мы применяем ее в повседневной жизни, моя на кухне посуду, а также  пользуемся благами этой науки, когда  размышляем над тем, каким материалом покрывать крышу нашего загородного дома.

Химия не стоит на месте. Благодаря  ей в промышленности создаются новые  материалы, новые способы контроля качества. В связке с физикой, она  дает безграничные возможности. 
Литература

1. Барит И.Я. Ядерные реакции. – www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/128/070.htm
2. Википедия — свободная энциклопедия. –  http://ru.wikipedia.org
3. Косинов Н.В. Вода – энергоноситель, способный заменить нефть // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.11558, 07.10.2004 – http://www.trinitas.ru/rus/doc/0023/001a/00230022.htm
4. Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2003. – 392 с.
5. Степанов Н.Ф. Химические реакции.– www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/095/824.htm
6. T. Ohtsuki et al Enhanced Electron-Capture Decay Rate of 7Be Encapsulated in C60 Cages. – Physical Review Letters 93, 112501 (2004). –http://www.grani.ru/Techno/m.77041.html