Выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер.

Доказано, что синтез (объединение) легких ядер приводит к выделению ядерной энергии (термоядерной реакции), а деление таких ядер приводит к поглощению энергии (эндотермический процесс). Для тяжелых элементов экзотермическим (энерговыделяющим) процессом является деление ядер, а при синтезе таких ядер энергия поглощается. На графике эти процессы показаны соответствующими стрелками (рис. 10.4).

Например, при делении U²³⁸(A₁=238, ε₁=7,5Мэв) на два атомных ядра (осколка) с А₂=119, ε₂=8,6Мэв, получаем энергия связи Е_св (энергия разобщения всех нуклонов данного ядра):

Е_св (уран) = ε₁·А₁ = 7,5·238=1785 (Мэв).

При объединении этих нуклонов в два новых атомных ядра (с А=110) выделяется энергия:

Е_св (А=119) = 2ε₂·А₂ = 2·8,6·119=2046 (Мэв).

Следовательно, в результате реакции деления ядер урана выделится ядерная энергия: ΔW=Е_св(А=119)−Е_св(уран)=261,8Мэв.

При синтезе двух ядер Натрия Na²³(A₁=23), ε₁=7,9Мэв в ядро с массовым число A₁=46, ε₂=8,4Мэв, для разобщения всех нуклонов, образующих два ядра натрия, необходимо затратить

Е_св(Na)=2ε₁·А₁=2·7,9·23=363,4(Мэв).

При объединении этих нуклонов в новое ядро с (А=46), выделится энергия Е_св (А=46) = 8,4·46=386,4 (Мэв).

Следовательно, при этом синтезе выделяется

ΔW=Е_св(А=46)−Е_св(Na)=23(Мэв).

Наиболее выгодным является синтез водорода, так как у них Δε наибольше.

Таким образом, на графике ε(A), там где график растет (до А≈50), синтез (объединение) легких ядер приводит к выделению ядерной энергии (термоядерные реакции), а деление ядер приводит к поглощению энергии (эндотермический процесс). Там, где график убивается (А>100), наоборот, деление собой представляет экзотермический процесс, а синтез − эндотермический.

 

Устойчивость ядер доказывает существование особого вида взаимодействия между нуклонами (так называемые сильные взаимодействия), проявлением которого являются ядерные силы.

Свойства ядерных сил (сил сильных взаимодействия):

1. ядерные силы являются силами притяжения,

2. ядерные силы являются короткодействующими (они преобладают на расстояниях ~10^{-15 м} и с увеличением расстояния быстро уменьшаются до нуля).

3. ядерным силам свойственна зарядовая независимость: они не зависят от заряда (F_pp=F_nn=F_pn) и имеют неэлектрическую природу.

4. ядерным силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Поэтому (если не учитывать легкие ядра), с увеличением А и , они не меняются.

5. ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон () только при условии параллельной ориентации их спинов.

6. ядерные силы не являются центральными, т.е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Существуют несколько моделей ядра

· Капельная модель ядра (1936г., Н.Бор, Я.И.Френкель). Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости.

· Оболочная модель ядра (1949−50гг, Гепперт-Майер и Иенсен). Нуклоны распределены в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), которые заполняются согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровень.

· Обобщенная модель ядра − синтез капельной и оболочечной моделей.

· Оптическая модель ядра.

 

Деление ядер и термоядерный синтез

Делиться может только возбужденное ядро; например, обстреливаемое нейтронами.

Если возбуждение невелико, то ядро, освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ− фотона и нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если возбуждение достаточно велико, то происходит деление ядра, при котором образуются два «осколки», разлетающихся с огромными скоростями в противоположные стороны, и 2-3, так называемые мгновенные нейтроны. «Осколки» радиоактивны и испускают γ− фотоны, β− частицы и запаздывающие (в течении нескольких минут после акта деления) нейтроны.

Для того, чтобы выделялось большое количество энергии надо чтобы реакция деления шла непрерывно, (была цепной). Для этого:

· При каждом акте деления должны появляться новые нейтроны,

· На их пути должны встречаться достаточное количество ядер деления (это обеспечивается критической массой).

Пример ядерных реакций:

или .

( −ксенон, −стронций, −барий, −криптон)

Радиоактивные «осколки» после ряда радиоактивного распада могут превращаться в стабильный изотоп, например, ксенон () в лантан ().

Для термоядерного синтеза надо чтобы ядра сблизились на расстояние порядка 10¹³см; тогда дальнейшее их сближение (и объединение) совершат уже ядерные силы. Это достигается при высоких температурах(десятки миллионов градусов), когда их кинетическая энергия достигается 0,01 Мэв.

 

 

 

§3.6. Элементарные и фундаментальные частицы