Презентация к уроку физики в 11 классе "Ядерные реакции"

Ядерные реакции

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Ядерные реакции

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.
Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами.
Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют α-частицы (максимально 9 МэВ).
Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше).
В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Ускоритель частиц

Роль ускорителя в современном физическом эксперименте поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов. Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и структуре исследуемого объекта

Первая ядерная реакция

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на две α-частицы:


Как видно из фотографии треков в камере Вильсона (рис. 13.12), ядра гелия разлетаются в разные стороны вдоль одной прямой согласно закону сохранения импульса (импульс протона много меньше импульса возникающих α-частиц; на фотографии треки протонов не видны).

Энергетический выход ядерных реакций

В описанной выше ядерной реакции кинетическая энергия двух образующихся ядер гелия оказалась больше кинетической энергии вступившего в реакцию протона на 7,3 МэВ. Превращение ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергия связи). В рассмотренной реакции удельная энергия связи в ядрах гелия больше удельной энергии связи в ядре лития. Поэтому часть внутренней энергии ядра лития превращается в кинетическую энергию разлетающихся α-частиц.
Изменение энергии связи ядер означает, что суммарная энергия покоя участвующих в реакциях ядер и частиц не остается неизменной. Ведь энергия покоя ядра Мяс2 согласно формуле (13.5) непосредственно выражается через энергию связи. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Согласно вышесказанному энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.
Если суммарная кинетическая энергия ядер и частиц после реакции больше, чем до реакции, то говорят о выделении энергии. В противном случае реакция идет с поглощением энергии.

Ядерные реакции на нейтронах

Открытие нейтрона было поворотным пунктом в исследовании ядерных реакций. Так как нейтроны не имеют заряда, то они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения. Например, наблюдается следующая реакция:


Великий итальянский физик Энрико Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения обусловлены не только быстрыми, но и медленными нейтронами. Причем эти медленные нейтроны оказываются в большинстве случаев даже гораздо более эффективными, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны целесообразно предварительно замедлять. Замедление нейтронов до тепловых скоростей происходит в обыкновенной воде. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится большое число ядер водорода — протонов, масса которых почти равна массе нейтронов. Следовательно, нейтроны после соударений движутся со скоростью теплового движения. При центральном соударении нейтрона с покоящимся протоном он целиком передает протону свою кинетическую энергию.

Упражнения

Упражнения

Домашнее задание

При делении одного ядра изотопа урана 235 освобождается Евыд = 200 МэВ энергии. Определите количество энергии, выделяющееся при делении m = 20 кг урана.

Излучение Солнца обусловлено энергией, выделяющейся при термоядерной реакции превращения ядра водорода в гелий . При этом образование одного ядра гелия сопровождается выделением энергии 4,4∙10-12Дж. Запишите ядерную реакция образования гелия. Чему равна масса гелия, возникающего в Солнце ежесекундно, если мощность излучения Солнца составляет 4∙10-26Вт? Масса ядра гелия 4∙10-27кг. Ответ выразите в млн. тонн, округлив до десятков.

Определите число нуклонов А и порядковый номер Z, образующихся при двух α- и двух β-превращениях урана .

Определите, в ядро атома какого элемента превращается элемент полоний при испускании α-частицы.

Использованные ссылки

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b4/Nuclear_reaction_Li6-d.svg/800px-Nuclear_reaction_Li6-d.svg.png
http://profil.adu.by/mod/book/view.php?id=3886
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d4/Enrico_Fermi_1943-49.jpg/250px-Enrico_Fermi_1943-49.jpg
https://znanio.ru/media/prezentatsiya_po_fizike_reshenie_zadach_yadernye_reaktsii_11_klass_fizika-295775
http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e170.htm