Энергия реакции определяется разностью масс, выраженной в энергетических единицах, исходных и конечных ядер.

Если сумма масс новых ядер, образующихся при ядерной реакции, больше суммы масс исходных частиц, то реакция идет с поглощением энергии. При этом энергия реакции считается отрицательной.

 

Если же общая масса частиц после реакции меньше общей массы частиц до реакции, то при реакции энергия выделяется, и она считается положительной.

 

.

 

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году. Исследуя прохождение - частиц через газообразный азот, он обнаружил, что некоторые частицы поглощались атомами азота с испусканием протона и образованием ядра изотопа кислорода..

 

 

Экспериментально установлено, что при любой ядерной реакции выполняются законы сохранения массы и заряда, а также законы сохранения энергии и импульса.

 

Физика ядерных реакций (искусственное получение ядер новых химических элементов) испытала резкий подъём в 30-х годах прошлого века благодаря работам Ферми, который показал, что нейтроны наиболее эффективны для инициирования ядерных реакций.

Обусловлено это тем, что нейтроны не имеют электрического заряда и им не надо преодолевать кулоновский барьер, что бы попасть в зону действия ядерных сил. В результате , вероятность того, что нейтрон попадет в ядро и вызовет ядерную реакцию значительно больше, чем для заряженных частиц, особенно при низких энергиях.

В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать физической величиной, называемой эффективным сечением взаимодействия или просто эффективным сечением .

Пусть поток частиц попадает в мишень настолько тонкую, что ядра атомов не перекрывают друг друга, Рис.52.

Будем считать ядра атомов и падающие частицы твердыми шариками, причем ядра имеют поперечное сечение , а падающие частицы поперечное сечение много меньше, чем у ядра (). В этом случае вероятность того, что частица заденет ядро будет равна: ,

где - поперечное сечение ядра, n – концентрация ядер, - толщина мишени.

 

Если на мишень падает N частиц, то с мишенью столкнуться только частиц

 

= =

 

Следовательно , где - число частиц провзаимодействовавших с ядрами.

 

В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами в продуктах реакции возникают ядра элементов примерно вдвое легче исходного ядра урана. Объяснение этому явлению было дано другими немецкими физиками, которые иммигрировали из нацистской Германии в Швейцарию, Лизой Мейтнер и Отто Фришем, которые предположили, что при поглощении нейтрона ядро урана распадается на два осколка. Новое явление было названо делением ядра.

Согласно капельной модели ядра, нейтрон передает поглотившему его ядру дополнительную энергию, подобно нагреву капли жидкости. При этом образуется изотоп урана . Избыточность энергии приводит к интенсивному движению отдельных нуклонов, в результате чего ядро сначала принимает вытянутую форму, Рис.52.

 

Рис.52

 

Из-за короткодействия ядерных сил такое ядро становится неустойчивым и кулоновское отталкивание протонов может привести к делению на две части (осколки деления).

При этом из ядра вылетают 2-3 нейтрона. Типичной реакцией деления является реакция с образованием бария и криптона:

 

 

При этом распаде выделяется энергия 200 МэВ на одно деление.

Выделившиеся при реакции нейтроны способны вызвать деления других ядер, что при превышении критической массы исследуемого образца может привести к «цепной реакции» предсказывали Мейтнер и Фриш и экспериментально доказал Ферми, построивший в 1942 году первый атомный реактор в Чикаго.

Казалось бы, если при делении одного ядра испускается несколько нейтронов, то они должны вызвать новые деления, что обязательно приведет к «цепной реакции». Однако это не так. Нейтроны, испускаемые при делении , имеют энергию 2 МэВ, что соответствует скорости порядка м/с. Поэтому время между испусканием нейтрона и его новым захватом должно быть очень мало. В реальности большее количество нейтронов успевает покинуть зону реакции раньше, чем могут быть захвачены соседними атомами из-за конечности размеров самого образца и их большой проникающей способности.

Некоторые изотопы урана, например , могут делиться только под действием быстрых нейтронов, имеющих энергию2 МэВ. Кроме того, на каждое ядро , способного делиться под действием тепловых нейтронов, приходится 140 ядер , которые такие нейтроны поглощают без деления. Поэтому самопроизвольная «цепная реакция» в природе маловероятна.

 

 

Образование более тяжелого ядра при слиянии ядер легких атомов называется ядерным синтезом.

Процесс слияния атомных ядер также сопровождается выделением огромного количества энергии. Взаимодействующим ядрам, чтобы сблизиться до расстояний, позволяющих проявиться ядерному взаимодействию, надо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием. На что требуется большая энергия. Даже если в реакции будут участвовать изотопы самого легкого элемента –водорода, то теоретически на долю каждого из ядер должно приходиться порядка 0,35 МэВ, что соответствует температуре около К. Именно поэтому реакцию ядерного синтеза называют термоядерной реакцией. В реальности синтез может начаться при температурах на один-два порядка ниже. Это объясняется тем, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое количество ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние может произойти вследствие туннельного эффекта.

Типичной реакцией синтеза является реакция слияния изотопов водорода дейтерия и тритияс образованием ядра атома гелия и одного нейтрона:

 

.

 

При этой реакции выделяется энергия равная 17,6 МэВ, что составляет около 3,5 МэВ на один нуклон.Для сравнения при делении ядра урана на один нуклон выделяется приблизительно 0,85 МэВ.

Синтез ядер водорода в ядра атома гелия является основным источником энергии Солнца и других звезд, температура в недрах которых достигает К.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру К.Но при такой температуре любое вещество становится полностью ионизированным, т.е. переходит в четвертое агрегатное состояние – плазму. Чтобы удержать плазму в заданном объеме без контакта с другим веществом А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1951 году предложили использовать магнитное поле. Силы, действующие на ядра в этом поле, заставляют их двигаться в ограниченном пространстве.

 

Эффект отрыва плазменного шнура от стенок сосуда называется пин-эффектом. Но устойчивым этот эффект становится при температурах порядка К, что недостаточно для протекания термоядерной реакции. При температурах выше К плазменный шнур неустойчив, кроме того на его создание и поддержание уходит энергии больше, чем выделяется при кратковременной управляемой термоядерной реакции.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза могло бы дать человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. В 1956 в СССР была создана установка типа «токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками), с помощью которой надеялись получить управляемую термоядерную реакцию. И до настоящего времени установки типа «токамак» являются наиболее перспективным направлением в проблеме создания термоядерного реактора.

 

Прохождение заряженных частиц (или ), а также рентгеновского и - излучений через вещество, в том числе и через живые ткани, приводит к ионизации атомов и молекул. При этом они вызывают повреждение клеток и даже их гибель.

Поэтому очень важно знать зависимость степени повреждения клеток от вида и количества поглощенного излучения и уметь определить количество или дозу, поглощенного излучения, и рассчитать её безопасное значение. Этим занимается дозиметрия.

Для количественного описания радиоактивных излучений и их влияния на живую материю дозиметрия использует следующие физические величины.

Мощность (интенсивность) источника радиоактивных излучений в заданный момент времени характеризуется его активностью или числом распадов в секунду.

В системе СИ единицей активности радиоизотопа является беккерель, который численно равен 1-распад в секунду.

Иногда пользуют внесистемную единицу активности кюри , которая равна:

1Ки = 3,70распад/с.

 

Активность радиоактивных изотопов, как мы отмечали ранее, со временем падает по экспоненте, поэтому на источнике радиоизотопов всегда ставиться дата измерения его активности.

Самой первой количественной характеристикой излучения (дозой) был рентген .

Он определяется по ионизации, производимой данным излучением. В настоящее время рентген используется для определения дозы рентгеновского и - излучений.

Рентген численно равен количеству рентгеновского или - излучений, при котором в 1 кг воздуха поглощается энергия, равная 0,878Дж.

Более удобной единицей является рад , который можно использовать для любого вида излучения.