Написание уравнений ядерных реакций.

Основными характеристиками ядра являются две величины: его заряд и его массовое число. Поэтому ядро и изображается обычно химическим символом с этими характеристиками, например:

Точно так же изображаются и отдельные частицы, например:

Индексы вверху означают массовые числа ядер, равные сумме чисел протонов и нейтронов, а индексы внизу — атомные номера ядер (числа протонов в ядре), равные порядковому номеру элементов.

Как же химически записать уравнение ядерной реакции?

В левой части уравнения пишут исходные вещества, а в правой — конечные продукты. Между правой и левой частями уравнения ставят стрелку.

Тепловые эффекты ядерных реакций в миллионы раз превышают тепловые эффекты химических реакций и достигают десятков и даже сотен миллионов электронвольт ( ).

При ядерных реакциях происходит изменение состава ядер, и, следовательно, происходит превращение одних атомов в другие, поэтому применяемая при химических реакциях система проверки правильности написанного уравнения реакции по количеству атомов каждого элемента здесь уже непригодна и должна быть заменена другим приемом.

Уравнение ядерной реакций является правильным, если в правой и левой его половинах соблюдается равенство, общего массового числа и равенство общего числа зарядов. Это правило почти полностью совпадает с правилом проверки правильности ионного уравнения. Например, уравнение:

написано правильно, ибо в нем слева и справа числа атомов каждого элемента и числа зарядов равны.

Уравнение

написано неправильно, ибо в нем равны числа атомов каждого элемента, но нет равенства зарядов.

Напишем несколько уравнений ядерных реакций и прежде всего уравнение реакции Резерфорда.

Он бомбардировал азот -частицами (т. е. ядрами гелия); при этом получались протоны и ядра какого-то другого вещества.

Течение этой реакции выразится следующим уравнением:

Но ядро с зарядом 8 есть ядро кислорода. В окончательном виде уравнение реакции запишется так:

Уравнение написано правильно, так как сумма массовых чисел в левой половине (14+4) равна сумме массовых чисел в правой половине (17+1) и сумма зарядов в левой половине (7+2) равна сумме зарядов в правой половине (8+1).

Рассмотрим еще несколько примеров ядерных реакций:

1. При действии -частицы на бериллий выделяются нейтроны. Уравнение этой реакции запишется так:

(реакция открытия нейтрона).

2. При действии -частицы на серу выделяется дейтрон (ядро дейтерия). Уравнение реакции надо записать так:

3. При действии дейтронов на серу выделяются -частицы. Уравнение реакции:

Для написания уравнения ядерной реакции пользуются периодической системой Д. И. Менделеева, чтобы по порядковому номеру определить название элемента (и наоборот, по названию элемента найти порядковый номер).

Чтобы написать уравнение ядерной реакции, мы должны знать, кроме исходных веществ, хотя бы один конечный продукт из двух.

Уравнение ядерной реакции часто пишут сокращенно, причем сперва пишется взятое для реакции ядро, затем рядом в скобках вначале действующая частица, а затем выделяющаяся частица и, наконец, после скобки, получающееся ядро. В сокращенной записи индексы внизу не пишут, так как заряды ядер заданы химическими символами.

Приведем примеры полных уравнений ядерных реакций и в сокращенной записи.

Для осуществления химической реакции необходимо сближение атомов или молекул до расстояния порядка размеров атомов , при котором может произойти взаимодействие их электронных оболочек. Электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, больше энергии химических реакций.

Чтобы вызвать ядерную, необходимо сообщить ядрам такую энергию, при которой они смогут преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться друг с другом на расстояния порядка см у при которых происходит взаимодействие, обусловленное ядерными силами, действующими между нуклонами.

Ниже приводим типы некоторых ядерных реакций (табл. 26).

Огромное количество энергии (называемой ядерной или атомной) находится в ядре в скрытом сбстоянии. Практическое использование ядерных реакций для освобождения ядерной энергии очень долго оставалось невыгодным из-за малой вероятности удачных попаданий. Однако в 1939 г. наступил новый этап в развитии ядерной физики в связи с открытием деления ядер урана под действием нейтронов.

Ядро урана захватывает нейтрон и распадается на два больших осколка. Происходит, таким образом, совершенно новый вид ядерных превращений — так называемое деление ядер урана.

Очень быстро была установлена химическая природа этих осколков — они оказались радиоактивными изотопами элементов середины периодической системы. Величина этих осколков может быть различной, но сумма их зарядов должна быть равна 92 (заряду ядра урана). Как правило, обычно происходит асимметричное деление ядра, т. е. один осколок несколько тяжелее другого. Чаще всего встречаются такие комбинации осколков: барий + криптон; цезий + рубидий; лантан + бром и др.

Деление ядра урана на два массивных осколка сопровождается выделением большого количества энергии. При полном делении 1 кг урана 235 выделяется около ккал или 20 миллионов киловатт-часов, что равно энергии, выделяющейся при взрыве 20000 т тротила.

Особенностью этой реакции, как показал Жолио-Кюри, является то, что из ядра одновременно вылетает 2—3 нейтрона:

или

где и могут меняться от 30 до 65, и — от 72 до 162.

Вылетевшие нейтроны в свою очередь способны вызвать деление новых ядер урана, начав цепную реакцию.

Таблица 26. Типы некоторых ядерных реакций

Цепная реакция, раз начавшись, может продолжаться самопроизвольно лавинообразно и с нарастающей скоростью.

Для того чтобы цепная реакция могла иметь место, необходимо, чтобы уран был очищен от примесей и его было бы достаточное количество. Наименьшее количество урана, при котором возможна цепная ядерная реакция, называется критической массой. Если количество урана меньше критической массы, то цепной процесс деления ядер может прекратиться; при слишком большой массе урана цепная реакция, если ее не регулировать, может, постепенно ускоряясь, принять характер взрыва.

Кроме урана-235, совершенно аналогичное деление ядер способны также давать плутоний-239 и уран-233. Сырьем для плутония служит уран-238 по реакциям:

Сырьем для урана-233 служит торий:

В настоящее время ядерная энергия уже входит в практический обиход.

27 июня 1954 г. в СССР была пущена первая в мире электростанция в 5000 квт, работающая на ядерной энергии, и эту дату надо считать датой рождения новой области энергетики — ядерной энергетики.

Реактор для получения энергии (урановый котел) загружается ураном, обогащенным до ураном-235. Расход горючего — 30 г урана в сутки.

В конце 1957 г. был спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин», предназначенный для плавания в районах Арктики.

К известным уже до настоящего времени видам энергии: механической, тепловой, химической, электрической и другим прибавился новый вид энергии — ядерная энергия.

Ядерная энергия обладает большой концентрированностью. При пробеге автомобиля «Победа» в 100 000 км двигатель его расходует 10—11 т бензина, а атомный двигатель той же мощности и при том же пробеге израсходует всего лишь 6 г урана.

Второй важной особенностью ядерной энергии является радиоактивность: распадающиеся атомы благодаря своей радиоактивности с помощью соответствующих приборов легко могут быть обнаружены, поэтому их называют «мечеными атомами».

Меченые атомы очень широко применяются в качестве радиоактивных индикаторов, для самых разнообразных целей в научных исследованиях, в промышленности, в сельском хозяйстве, химии, медицине, биологии и других областях.

В последнее время внимание физиков и энергетиков сосредоточено на разработке термоядерных реакций, происходящих при сверхвысоких температурах порядка десятков миллионов градусов и выше.

К таким реакциям относятся:

Источником энергии солнца и других звезд являются термоядерные реакции.

Из них основное значение имеет синтез гелия из водорода по суммарной схеме:

причем данная реакция протекает через целый ряд промежуточных стадий. В недрах солнца температура достигает миллионов градусов, а давление — десятков и сотен миллионов атмосфер. Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. На долю всех остальных элементов (углерод, азот и др.) приходится .

Термоядерные реакции дают на грамм используемого горючего в четыре с лишним раза больше энергии, чем деление ядер урана или плутония. Эти процессы пока реализованы лишь в форме так называемой водородной бомбы. Необходимая для такого процесса сверхвысокая температура (в десятки миллионов градусов) достигается при взрыве атомной бомбы или ), которая детонирует термоядерное «горючее» (обычно смеси изотопов водорода).

Характерная особенность ядерной реакции в том, что, начавшись при очень высокой температуре, она дальше протекает самопроизвольно.

Ввиду того, что тритий очень дорог, главная задача состоит в создании такого управляемого термоядерного реактора, который работал бы на чистом дейтерии. А запасов дейтерия как топлива хватит на сотни миллионов лет, и производство его из обычной воды совсем недорого. Таким образом, после овладения термоядерными реакциями энергетические ресурсы человечества станут практически безграничными.