ФІЗИКА. Вчимося розв'язувати задачі. "СУЧАСНА ФІЗИКА". Компенсаційний курс

При хімічних реакціях атоми об'єднуються в молекули, а молекули дисоціюють (розпадаються) на ті самі складові атоми. За відповідних умов із ядрами теж відбуваються схожі перетворення – ядерні реакції. Але, на відміну, в них ядра не утворюють об'єднану систему, а зливаться в одне нове ядро. Такі процеси супроводжуються радіоактивним випромінюванням (від англійського "radiation" – випромінювання), тобто випусканням:

– α- променів — ядер ізотопу Гелію \({}_{2}^{4}\mathrm{He}\), які мають позитивний електричний заряд \(q_{\alpha}=3,2\cdot{10}^{-19}\) Кл і масу \(m_{\alpha}=4,00260\) а.о.м, котра майже збігається з атомною масою гелію;

– β-променів, що  являють собою електрони. Через це їх позначають ще як \(e^{-}\),  або \({}_{-1}^  {0}e\);

– γ-променів – фотонів надвисокої енергії (> 10⁵ еВ) і, відповідно, надмалої довжини хвилі (\(<5\cdot{10}^{-12}\) м).

Ядерні реакції можуть бути як самовільні, так і вимушені. Прикладом останніх є реакції поділу та синтезу в яких ядра або розділяються на інші, або зливаються в одне. Такі процеси супроводжуються виділенням енергії 

$Q = E_{поч} – E_{кін}$,

котре дорівнює  різниці початкової $E_{поч}$ та кінцевої $E_{кін}$ енергія ядер-учасників й називається енергетичним виходом реакції.

Указані перетворення відбуваються на надмалих відстанях при надвисоких швидкостях ядер, коли ''вступає в дію'' сильна взвємодія і стає істотним взаємозв'язок  енергії та маси $E = mc^2$ (п. 1.5). Тому для енергетичного виходу можна записати:

Q = с²Δm,

де Δm – різниця початкової та кінцевої маси ядер, які беруть участь у реакції. Зокрема, при поділі ядра з масою $m$ на два інші з масами $m_1$, $m_2$

а при злитті ядер з масами $m_1$, $m_2$ в ядро масою $m$

Величину $Q$ можна знайти й через енергії зв'язку ядер \({E}_{\text{зв}}\), які визначаються виразами (4.5), п. 4.2. А саме, позаяк ядерні реакції відбуваються із збереженням кількості нуклонів, то з урахуванням виразу (4.3) виходить:

${{Q}_{под}}=\left( {{W}_{1}}+{{W}_{2}} \right)-{{W}}$,

або

${{Q}_{под}}=({{A}_{1}}{{w}_{1}}+{{A}_{2}}{{w}_{2}})-A{{w}}$,

де ${{A}_{i}}$ й ${{w}_{i}}$ – масові числа (кількості нуклонів у ядрах) та їхні питомі енергії зв'язку (енергії, що припадають на один нуклон).

Наведені міркування є чинні й для реакцій синтезу з тією відміною, що згадані ядра   "обмінюються ролями", і знаки при величинах ${{A}_{i}}$ змінюються на протилежні. В такому разі для енергетичного виходу обох реакцій можна записати спільний вираз

де знак ''$+$'' відноситься до поділу, ''$-$'' до синтезу ядер.

З цього виразу та рис. 21.1, п. 4.2 випливає, що як поділ масивного ядра на легкі, так і злиття (синтез) легких ядер в масивне проходять із виділенням енергії.  Для ілюстрації розглянемо дві позірні реакції: 1) поділ ядра з масовим числом ${A}$  на два однакові ядра з масовими числами ${{A}_{1}} = A/2$ та 2) синтез двох легких ядер із масовими числами ${{A}_{1}}$ з утворенням ядра з масовим числом ${{A}} = 2{{A}_{1}}$. У такому разі вираз (4.7) набуває вигляду

звідки, зважаючи на рис. 21.1, випливає, що в обох випадках $Q \gt 0$, тобто і поділ важких, і синтез легких ядер відбуваються з виділенням великої  енергії. Зокрема, при розщепленні важкого ядра  на два однакові ''уламки'' енергетичний вихід на $1$ нуклон (або $1$ а.о.м.) дорівнює приблизно $1$ МеВ/(а.о.м.), а при синтезі легких ядер він ще в у кілька разів більший. У той же час енергетичний вихід  хімічної реакції горіння – об'єднання (синтезу) молекул пального та кисню –  не перевищує $1$ еВ/(а.о.м.).

Таким чином, ядерні реакції як спосіб отримання енергії є незрівнянно більш ефективні за хімічні. Але, на жаль, вони, як і хімічні, можуть протікати вибухово з миттєвим виділенням гігантської енергії. На цьому ґрунтується ядерна зброя, котра становить смертельну небезпеку для  людства. Але в той же час перебігом реакцій можна керувати й отримувати корисну енергію, як це робиться в реакторах атомних електростанцій.

На завершення зауважимо, що для злиття при зіткненні ядра мають подолати кулонівське відштовхування й зблизитися до відстані  \({\sim}{10}^{–15}\)м, на якій починають діяти ядерні сили. Для цього робоча речовина реакції повинна мати температуру \({\sim}{10}^{8}\)К, тож реакції синтезу ядер називаються термоядерними.