Nukleáris reakció

A magreakció egy atommag és egy másik atommag vagy elemi részecskék közötti kölcsönhatás folyamata, amelyet az atommag összetételének és szerkezetének megváltozása kísérhet. A kölcsönhatás következménye lehet az atommag hasadása , elemi részecskék vagy fotonok kibocsátása . Az újonnan képződött részecskék kinetikus energiája jóval nagyobb lehet, mint a kezdeti, és magreakcióval történő energiafelszabadulásról beszélünk.

Rutherford először 1917 -ben figyelt meg nukleáris reakciót , amely a nitrogénatomok magjait α -részecskékkel bombázta . Ezt a másodlagos ionizáló részecskék megjelenése rögzítette, amelyek tartománya a gázban nagyobb, mint az α-részecskék tartománya, és protonként azonosították . Ezt követően felhőkamra segítségével fényképeket készítettek erről a folyamatról .

A kölcsönhatás mechanizmusa szerint a nukleáris reakciókat két típusra osztják:

reakciók összetett atommag képződésével , ez egy kétlépcsős folyamat, amely az ütköző részecskék nem túl nagy kinetikus energiájával (kb. 10 MeV -ig ) megy végbe.
közvetlen magreakciók, amelyek a részecske magon való átjutásához szükséges nukleáris idő alatt játszódnak le. Ez a mechanizmus főleg a bombázó részecskék nagy energiáinál nyilvánul meg.

Ha egy ütközés után az eredeti atommagok és részecskék megmaradnak, és újak nem születnek, akkor a reakció rugalmas szórás a nukleáris erők területén , amelyet csak a részecske és a cél kinetikus energiájának és lendületének újraeloszlása kísér. mag, és potenciálszórásnak nevezik [1] [2] .

A magreakció mechanizmusai

Összetett mag

Az összetett atommag kialakulásával járó reakciómechanizmus elméletét Niels Bohr dolgozta ki 1936 -ban [3] az atommag cseppmodelljének elméletével együtt, és ez a nukleáris reakciók nagy részével kapcsolatos modern elképzelések alapja.

Ezen elmélet szerint a magreakció két szakaszban megy végbe. Kezdetben a kezdeti részecskék egy közbenső (kompozit) magot alkotnak a magidő alatt , vagyis az az idő, amely ahhoz szükséges, hogy a részecske áthaladjon a magon, körülbelül 10 -23 - 10 -21 s . Ebben az esetben az összetett mag mindig gerjesztett állapotban jön létre, mivel a részecske által az atommagba juttatott többletenergiája van az összetett magban lévő nukleon kötési energiája és kinetikai energiájának egy része formájában , ami egyenlő a tömegszámú célmag és a rendszer tehetetlenségi középpontjában lévő részecske mozgási energiájának összegével . $A$

Gerjesztési energia

Egy szabad nukleon abszorpciójával létrejött összetett mag gerjesztési energiája megegyezik a nukleon kötési energiájának és kinetikai energiájának egy részének összegével : $E^{*}$ $E_{c}$ $E^{'}$

E^{*}=E_{c}+E'.

Leggyakrabban az atommag és a nukleon tömege közötti nagy különbség miatt megközelítőleg megegyezik az atommagot bombázó nukleon kinetikus energiájával. $E'$ $E$

A kötési energia átlagosan 8 MeV, amely a keletkező vegyületmag jellemzőitől függően változik, azonban adott célmagok és nukleonok esetében ez az érték állandó. A bombázó részecske kinetikus energiája bármi lehet, például ha nukleáris reakciókat gerjesztenek neutronok, amelyek potenciáljának nincs Coulomb-gátja , az érték nullához közelíthet. Így a kötési energia az összetett mag minimális gerjesztési energiája [1] [2] . $E$

Reakciócsatornák

A gerjesztetlen állapotba való átmenet többféleképpen is végrehajtható, ezeket reakciócsatornáknak nevezzük . A beeső részecskék és atommagok típusa és kvantumállapota a reakció megkezdése előtt meghatározza a reakció bemeneti csatornáját . A reakció befejeződése után a keletkező reakciótermékek és azok kvantumállapotainak összessége határozza meg a reakció kimeneti csatornáját . A reakciót teljes mértékben bemeneti és kimeneti csatornák jellemzik.

A reakciócsatornák nem függenek a vegyületmag képződésének módjától, ami a vegyületmag hosszú élettartamával magyarázható, úgy tűnik, hogy „elfelejti” a keletkezés módját, ezért az összetett mag kialakulása és bomlása független eseményeknek tekinthetők. Például gerjesztett állapotban vegyületmagként képződhet a következő reakciók egyikében: ${}_{{13}}^{{27}}{\textrm {Al}}$

{}_{11}^{23}{\textrm {Na}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{12}^{26}{\textrm {Mg}}+{}_{1}^{1}{\textrm {H}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{13}^{26}{\textrm {Al}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{13}^{27} {\textrm {Al*)),

{}_{13}^{27}{\textrm {Al}}+\gamma \rightarrow {}_{13}^{27}{\textrm {Al*}}.

Ezt követően, azonos gerjesztési energia mellett, ez az összetett atommag e reakciók bármelyikének fordított útján, bizonyos valószínűséggel elbomolhat, függetlenül az atommag keletkezésének történetétől. Az összetett atommag kialakulásának valószínűsége az energiától és a célmag típusától függ [2] .

Közvetlen nukleáris reakciók

A magreakciók lefutása a közvetlen kölcsönhatás mechanizmusán keresztül is lehetséges, alapvetően egy ilyen mechanizmus a bombázó részecskék nagyon nagy energiáinál jelentkezik, amikor az atommag nukleonjai szabadnak tekinthetők. A direkt reakciók eltérnek az összetett atommag mechanizmusától, mindenekelőtt a termékrészecskék lendületi vektorainak a bombázó részecskék lendületéhez viszonyított eloszlásában. A vegyületmag mechanizmusának gömbszimmetriájával ellentétben a közvetlen kölcsönhatást az jellemzi, hogy a reakciótermékek dominánsan haladnak előre a beeső részecskék mozgási irányához képest. A termékrészecskék energiaeloszlása ezekben az esetekben is eltérő. A közvetlen kölcsönhatást a nagy energiájú részecskék feleslege jellemzi. Az összetett részecskék magjaival (vagyis más atommagokkal) való ütközés esetén lehetséges a nukleonok átvitelének folyamata az atommagból a magba, vagy a nukleonok cseréje. Az ilyen reakciók összetett mag képződése nélkül mennek végbe, és rendelkeznek a közvetlen kölcsönhatás minden jellemzőjével [1] .

Egy magreakció keresztmetszete

A reakció valószínűségét a reakció úgynevezett magkeresztmetszete határozza meg. A laboratóriumi referenciakeretben (ahol a célmag nyugalomban van) az egységnyi időre vetített kölcsönhatás valószínűsége megegyezik a keresztmetszet (területegységben kifejezve) és a beeső részecskék fluxusának szorzatával (ahol a célmag nyugalmi állapotban van) egységnyi területen áthaladó részecskék egységnyi idő alatt). Ha egy bemeneti csatornára több kimeneti csatorna is megvalósítható, akkor a reakciókimeneti csatornák valószínűségeinek aránya megegyezik keresztmetszeteik arányával. A magfizikában a reakciókeresztmetszeteket általában speciális mértékegységekben fejezik ki - pajtákban , amelyek 10–24 cm²-nek felelnek meg.

Reakcióhozam

A reakciók számát, elosztva a célpontot bombázó részecskék számával, nukleáris reakció hozamának nevezzük . Ezt az értéket kísérletileg kvantitatív mérésekkel határozzuk meg. Mivel a hozam közvetlenül függ a reakciókeresztmetszettől, a hozam mérése lényegében a reakciókeresztmetszet mérése [1] [2] . $\nu /\Phi$

Megmaradási törvények nukleáris reakciókban

A magreakciókban a klasszikus fizika összes megmaradási törvénye teljesül . Ezek a törvények korlátozzák a nukleáris reakció lehetőségét. Még egy energetikailag kedvező folyamat is mindig lehetetlennek bizonyul, ha valamilyen természetvédelmi törvény megsértésével jár együtt. Emellett léteznek a mikrovilágra jellemző természetvédelmi törvények; némelyikük, amennyire ismert, mindig érvényes ( barionszám megmaradásának törvénye , leptonszám ); más természetvédelmi törvények ( isospin , paritás , furcsaság ) csak elnyomnak bizonyos reakciókat, mivel nem teljesülnek bizonyos alapvető kölcsönhatások esetén . A természetvédelmi törvények következményei az úgynevezett kiválasztási szabályok , amelyek bizonyos reakciók lehetőségét vagy tiltását jelzik.

Az energia megmaradásának törvénye

Ha két részecske összenergiája a reakció előtt és a reakció után, akkor az energiamegmaradás törvénye alapján: ${\displaystyle E_{1},\,E_{2},\,E_{3},\,E_{4))$

E_{1}+E_{2}=E_{3}+E_{4}.

Ha kettőnél több részecske képződik, a kifejezés jobb oldalán lévő kifejezések számának nagyobbnak kell lennie. Egy részecske teljes E energiája megegyezik tömegének (energia-egyenértékben) Mc 2 és K mozgási energiájának összegével , ezért:

M_{1}c^{2}+M_{2}c^{2}+K_{1}+K_{2}=M_{3}c^{2}+M_{4}c^{ 2}+K_{3}+K_{4}.

A Q = ( K 3 + K 4 ) − ( K 1 + K 2 ) reakció "kimenetén" és "bemenetén" lévő részecskék összes kinetikai energiája közötti különbséget reakcióenergiának (vagy a reakció energiahozamának ) nevezzük . reakció ). A feltételnek eleget tesz:

M_{1}+M_{2}=M_{3}+M_{4}+Q/c^{2}.

Az 1/ c 2 tényezőt általában figyelmen kívül hagyjuk, amikor az energiamérleget úgy számítjuk ki, hogy a részecskék tömegét energiaegységben (vagy néha az energiát tömegegységben) fejezzük ki.

Ha Q > 0, akkor a reakciót szabadenergia felszabadulása kíséri és exoenergiának nevezzük , ha Q < 0, akkor a reakciót a szabadenergia elnyelése kíséri és endoenergetikusnak nevezzük .

Könnyen belátható, hogy Q > 0, ha a termékrészecskék tömegének összege kisebb, mint a kiinduló részecskék tömegének összege, azaz szabadenergia felszabadulása csak a reagáló részecskék tömegének csökkentésével lehetséges. részecskék. És fordítva, ha a másodlagos részecskék tömegének összege meghaladja a kezdeti részecskék tömegének összegét, akkor ilyen reakció csak akkor lehetséges, ha bizonyos mennyiségű kinetikus energiát fordítanak a nyugalmi energia növelésére, azaz az új részecskék tömegei. A beeső részecske kinetikus energiájának azt a minimális értékét, amelynél endoenergetikai reakció lehetséges, küszöb reakcióenergiának nevezzük . Az endoenergetikai reakciókat küszöbreakcióknak is nevezik , mert a küszöb alatti részecskék energiáinál nem mennek végbe.

A lendület megmaradásának törvénye

A részecskék teljes lendülete a reakció előtt megegyezik a részecskék-reakciótermékek összimpulzusával. Ha , , , két részecske impulzusvektora a reakció előtt és után, akkor ${\vec {p}}_{1}$ ${\vec {p}}_{2}$ ${\vec {p}}_{3}$ ${\vec {p}}_{4}$

{\vec {p}}_{1}+{\vec {p}}_{2}={\vec {p}}_{3}+{\vec {p}}_{4} .

Mindegyik vektor egymástól függetlenül mérhető kísérletileg, például mágneses spektrométerrel . A kísérleti adatok azt mutatják, hogy az impulzus megmaradásának törvénye mind a magreakciókban, mind a mikrorészecskék szóródási folyamataiban érvényes.

A szögimpulzus megmaradásának törvénye

A szögimpulzus a magreakciókban is megmarad. A mikrorészecskék ütközésének eredményeként csak olyan összetett magok keletkeznek, amelyek szögimpulzusa megegyezik a részecskék belső mechanikai nyomatékainak ( spin ) és a nyomaték összeadásával kapott nyomaték egyik lehetséges értékével. relatív mozgásuk (keringési momentum). Az összetett atommag bomlási csatornái is csak olyanok lehetnek, hogy a teljes szögimpulzus (a spin és a keringési nyomatékok összege) megmarad.

Egyéb természetvédelmi törvények

magreakciókban az elektromos töltés megmarad - az elemi töltések algebrai összege a reakció előtt megegyezik a reakció utáni töltések algebrai összegével.
a magreakciókban a nukleonok száma konzerválódik , amit a legáltalánosabb esetekben a barionszám megmaradásaként értelmeznek . Ha az ütköző nukleonok kinetikai energiái nagyon nagyok, akkor nukleonpárok keletkezésének reakciói lehetségesek. Mivel a nukleonokhoz és antinukleonokhoz ellentétes előjelek vannak rendelve, a barionszámok algebrai összege mindig változatlan marad minden folyamatban.
magreakciókban a leptonok száma megmarad (pontosabban a leptonok számának és az antileptonok számának különbsége, lásd leptonszám ).
nukleáris vagy elektromágneses erők hatására fellépő magreakciókban megmarad a hullámfüggvény paritása , amely leírja a részecskék reakció előtti és utáni állapotát. A hullámfüggvény paritása a gyenge kölcsönhatások miatti transzformációkban nem marad meg [1] .
az erős kölcsönhatások által kiváltott magreakciókban az izotópos spin megmarad . A gyenge és elektromágneses kölcsönhatások nem őrzik meg az izospineket.

A magreakciók típusai

A részecskékkel való nukleáris kölcsönhatások nagyon sokrétűek, típusuk és egy adott reakció valószínűsége függ a bombázó részecskék típusától, a célmagoktól, a kölcsönhatásban lévő részecskék és atommagok energiáitól és sok más tényezőtől.

Atommaghasadási reakció

A maghasadási reakció az a folyamat, amikor egy atommag két (ritkán három) hasonló tömegű magra hasad, ezeket hasadási fragmentumoknak nevezzük. A hasadás eredményeként más reakciótermékek is keletkezhetnek: könnyű atommagok (főleg alfa-részecskék ), neutronok és gamma-kvantumok . A hasadás lehet spontán (spontán) és kényszerített (más részecskékkel, elsősorban neutronokkal való kölcsönhatás eredményeként). Megjegyzendő azonban, hogy a spontán folyamatok általában nem tartoznak a magreakciók közé, így a magreakció csak kényszerhasadás (neutronbefogás során, fotohasadás , stb.) A nehéz atommagok hasadása exoenergetikus folyamat, melynek eredményeként nagy mennyiségű energia szabadul fel reakciótermékek kinetikus energiája, valamint sugárzás formájában.

Az atommaghasadás energiaforrásként szolgál az atomreaktorokban és az atomfegyverekben .

Nukleáris fúziós reakció

A magfúziós reakció az a folyamat, amikor két atommag egy új, nehezebb atommagot képez.

Az új atommag mellett a fúziós reakció során rendszerint különféle elemi részecskék és (vagy) elektromágneses sugárzás kvantumai is képződnek .

Külső energia ellátása nélkül az atommagok fúziója lehetetlen, mivel a pozitív töltésű atommagok elektrosztatikus taszító erőket fejtenek ki - ez az úgynevezett " Coulomb-gát ". Az atommagok szintetizálásához közel 10-15 m távolságra kell őket közelíteni, ahol az erős kölcsönhatás meghaladja az elektrosztatikus taszító erőket. Ez akkor lehetséges, ha a közeledő magok kinetikus energiája meghaladja a Coulomb-gátat.

Ilyen feltételek két esetben fordulhatnak elő:

Ha a nagy kinetikus energiájú atommagok (ionok, protonok vagy α-részecskék ) más atommagokkal találkoznak útjuk során. A természetben ez lehetséges például az ionizált gáz részecskéinek ütközésekor, például a Föld ionoszférájában a kozmikus sugárzás részecskéivel . Mesterségesen az ilyen reakciókat vákuumkamrákban valósítják meg nagy energiájú α-részecskék természetes forrásainak felhasználásával (első 1917, 1919, E. Rutherford ), valamint töltött részecskegyorsítókkal (először 1931 , R. Van de Graaff ) [4] és olyan létesítmények, mint a fusor vagy a Poliwell reaktor , amelyekben a töltött részecskék kinetikus energiáját elektromos tér adja . Ily módon létrejöttek az első mesterséges magfúziós reakciók és számos mesterségesen szintetizált kémiai elem .

Ha az anyagot rendkívül magas hőmérsékletre hevítik egy csillag- vagy fúziós reaktorban . A kinetikai elmélet szerint egy anyag mozgó mikrorészecskéinek (atomok, molekulák vagy ionok) mozgási energiája hőmérsékletként ábrázolható, így az anyag melegítésével magfúziós reakció érhető el. Ebben az esetben termonukleáris fúzióról vagy termonukleáris reakcióról beszélnek.

Termonukleáris reakció

A termonukleáris reakció két atommag egyesülése egy új, nehezebb atommag kialakulásával, a hőmozgás kinetikai energiája miatt .

A magfúziós reakcióhoz a kezdeti magoknak viszonylag nagy kinetikai energiával kell rendelkezniük, mivel elektrosztatikus taszítást tapasztalnak, mivel azonos néven pozitív töltésűek.

A kinetikai elmélet szerint egy anyag mozgó mikrorészecskéinek (atomok, molekulák vagy ionok) mozgási energiája hőmérsékletként ábrázolható, így az anyag melegítésével magfúziós reakció érhető el.

A csillagokban a természetes nukleoszintézis magreakciói hasonló módon mennek végbe.

A könnyű elemek magjai között a vasig terjedő fúziós reakciók exoenergetikusak , ami a termonukleáris fúzió szabályozási problémájának megoldása esetén az energiaszektorban való felhasználásuk lehetőségével függ össze .

Ezek közül mindenekelőtt meg kell említeni a hidrogén két izotópja ( deutérium és trícium ) közötti, a Földön igen elterjedt reakciót, melynek eredményeként hélium képződik és neutron szabadul fel. A reakció a következőképpen írható fel:

{}_{{1}}^{{2}}{\textrm {H}}(D)+{}_{{1}}^{{3}}{\textrm {H}}(T)\ jobbra nyíl {}_{{2}}^{{4}}{\textrm {He}}+{}_{{0}}^{{1}}{\textrm {n}}

+ energia (17,6 MeV) .

A felszabaduló energia (ami abból adódik, hogy a hélium-4 nagyon erős nukleáris kötésekkel rendelkezik) mozgási energiává alakul, melynek nagy része, 14,1 MeV, könnyebb részecskeként viszi magával a neutront [5] . A keletkező mag szorosan kötődik, ezért a reakció olyan erősen exoenergetikus. Ezt a reakciót a legalacsonyabb Coulomb-gát és a magas hozam jellemzi, ezért különösen érdekes a szabályozott termonukleáris fúzió esetében [1] .

A termonukleáris reakciót termonukleáris fegyverekben is alkalmazzák .

Fotonukleáris reakció

Amikor egy gamma-sugárzás elnyelődik, az atommag többlet energiát kap anélkül, hogy megváltoztatná nukleonösszetételét, és a többletenergiával rendelkező mag összetett mag . A többi magreakcióhoz hasonlóan a gamma-kvantum elnyelése az atommagban csak akkor lehetséges, ha a szükséges energia- és spin - arányok teljesülnek. Ha az atommagba átvitt energia meghaladja a magban lévő nukleon kötési energiáját , akkor a keletkező összetett atommag bomlása leggyakrabban nukleonok, főként neutronok kibocsátásával történik . Az ilyen bomlás nukleáris reakciókhoz vezet, amelyeket fotonukleárisnak neveznek , és ezekben a reakciókban a nukleonemisszió jelensége a nukleáris fotoelektromos hatás . $(\gamma ,n)$ $(\gamma ,p)$

Egyéb

Magreakciók rögzítése

Az atomreakciókat speciális képletek formájában írják le, amelyekben az atommagok és az elemi részecskék jelölései fordulnak elő .

A magreakciók képleteinek első módja hasonló a kémiai reakciók képleteihez , vagyis a kiindulási részecskék összege a bal oldalon, a kapott részecskék (reakciótermékek) összege a jobb oldalon, és közéjük egy nyíl kerül.

Így a neutron kadmium-113 atommag általi sugárzási befogásának reakciója a következőképpen írható le:

{}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}+n\rightarrow {}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}+\gamma .

Látjuk, hogy a protonok és neutronok száma a jobb és a bal oldalon változatlan marad ( a barionszám megmarad). Ugyanez vonatkozik az elektromos töltésekre, a leptonszámokra és más mennyiségekre ( energia , impulzus , szögimpulzus stb.). Egyes reakciókban, ahol a gyenge kölcsönhatás is szerepet játszik , a protonok neutronokká alakulhatnak, és fordítva, de összszámuk nem változik.

A második , a magfizika számára kényelmesebb írásmód A (a, bcd ...) B formájú , ahol A a célmag, a a bombázó részecske (beleértve az atommagot), b, c, d, ... kibocsátott részecskék (beleértve az atommagot is), B a maradék mag. A reakció könnyebb termékeit zárójelbe, a nehezebb termékeit kívülre írjuk. Tehát a fenti neutronbefogási reakció a következőképpen írható fel:

{}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}(n,\gamma ){}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}.

A reakciókat gyakran a zárójelben szereplő beeső és kibocsátott részecskék kombinációjáról nevezik el; így az ( n , γ) -reakció tipikus példáját írtuk fent.

A nitrogén első kényszerített nukleáris átalakulását oxigénné , amelyet Rutherford hajtott végre , alfa-részecskékkel bombázva a nitrogént , a képletként írják le.

{}_{7}^{14}{\textrm {N))(\alpha ,p){}_{8}^{17}{\textrm {O)),

ahol a hidrogénatom magja a proton .

p={}_{{1}}^{{1}}{\textrm {H}}

A "kémiai" jelölésben ez a reakció így néz ki

{}_{7}^{14}{\textrm {N}}+\alpha \rightarrow p+{}_{8}^{17}{\textrm {O}}.

Jegyzetek

↑ 1 2 3 4 5 6 Klimov A. N. Nukleáris fizika és atomreaktorok. - Moszkva: Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
↑ 1 2 3 4 Bartolomey G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Az atomerőművi reaktorok elméletének és számítási módszereinek alapjai. - Moszkva: Energoatomizdat, 1982. - S. 512.
↑ N. Bor . Neutronbefogás és az atommag szerkezete // UFN . — 1936 . - T. 14 , sz. 4 , 4. sz . - S. 425-435 .
↑ Részecskegyorsítók - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból .
↑ Úton a termonukleáris energia felé

Linkek

Nukleáris reakciók - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból .
Nukleáris reakciók , Fizikai Enciklopédia
Schmitz, Taylor. Nukleáris fizika . — Pergamon Press, 1973. - ISBN 0-08-016983-X .
Bertulani, Carlos. A nukleáris fizika dióhéjban. — Princeton University Press , 2007. — ISBN 978-0-691-12505-3 .
Suplee, Curt atomtömegek és izotópos összetételek relatív atomtömeggel . NIST (2009. augusztus 23.). (határozatlan)

Szótárak és enciklopédiák

Bibliográfiai katalógusokban
BNE : XX526437 BNF : 119786586 GND : 4030343-3 J9U : 987007538647405171 LCCN : sh85093069 NDL : 00562379 NKC : ph135384