Ядерный распад и синтез

Можно получать энергию как за счет управляемого распада ядер некоторых элементов, так и за счет слияния мелких ядер в более крупные в процессе так называемой реакции термоядерного синтеза.

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc2. Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc2.

Распад

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (235U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа 238U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235U до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см. Критерий Лоусона).

См. также:
Эволюция звезд
Опыт Резерфорда

10
Показать комментарии (10)
Свернуть комментарии (10)

  • barjer  | 07.02.2007 | 10:21 Ответить
    Интересно, кто-нибудь взвешивал вещество до и после реакций распада или синтеза, например, при взрывах атомных или водородных бомб? Или это чисто расчетные данные? А, может быть, все дело в том, что продукты распада или синтеза занимают существенно больший объем, чем исходные вещества, причем, увеличение объема происходит очень быстро - именно взрывообразно? Наверное, это слишком просто, чтобы заинтересовать кого-либо... Конечно, это менее загадочно, чем непонятно как происходящий переход массы в энергию и обратно. А загадки всегда более привлекательны.
    Ответить
  • beleb2  | 15.12.2007 | 22:02 Ответить
    Распад ядер атомов происходит и в более бональных химических реакциях, например при горении, световое и тепловое излучение
    каим то образом пропорционально утраченной массе ядер вступивштх в реакцию, до начала реакции. Может кто нбудь попытается объяснить чем поглащается световое излучение при горении. Как минимум свет обладает
    массой элементарных частиц. При горении у поверхности земли свет даже и обладающий высокой соростью не пробьётся через атмосферу земли, где осядут фотоны, нейтроны и т.п.
    Ответить
    • attila > beleb2 | 09.04.2008 | 14:11 Ответить
      Вы получаете 10 балов по 5-ти бальной шкале самых экстравагантных заблуждений. Хорошо, что Вас не слышит ваш учитель физики - мы бы его потеряли.
      Ответить
  • Levan  | 29.02.2008 | 13:31 Ответить
    Синтез экзотермичен, а распад эндотермичен. По крайней мере, до определенной степени. Все элементы, до железа по периодической таблице при синтезе выделяют энергию, а при распаде поглашают.
    Ответить
    • attila > Levan | 09.04.2008 | 14:28 Ответить
      С одной стороны Вы слишком категоричны, с другой половинчаты. Ну продолжили бы - а что после железа... И кроме того, уверяю Вас, что с выделением/поглащением энергии для разных изотопов и изобаров график зависимости энергии связи ядер от их атомной массы далеко не ровный. Вообще меня все больше умиляет эта книга и связанные с ней коментарии.
      Ответить
      • ddn > attila | 06.01.2009 | 06:24 Ответить
        Будьте снисходительны, 99,5% людей имеет очень поверхностное представление об ядерной физике. Уже хорошо, что у некоторых появляется тяга к познанию причин и механизмов происходящего. Я сам в детстве запоем читал научно-популярные журналы (НиЖ, ХиЖ, Квант), сейчас будучи врачом по специальности постепенно слой за слоем, как напильником по коленвалу пытаюсь наверстать упущенное ))
        Как специалист помогите понять почему масса трех составляющих протон кварков 0,0047 + 0,0047 + 0,0074 + масса склеивающих их глюонов (принятая за 0) < принятой за единицу массы самого протона ?
        Ответить
  • qwark  | 31.07.2009 | 17:11 Ответить
    Возможно, что идея УТС - величайший миф за всю историю познания. Все способы инициации и удержания реакции ТЯС(токамак и родственные ему устройства, радиационная имплозия посредством мощных лазеров) основаны на использовании энергии электромагнитного поля. В реакции ТЯС участвуют лишь нуклоны, а это поле ядерных сил. Т.е. поля разной природы. Плотность потока энергии э-м поля недостаточна для возбуждения даже лёгких ядер(передачи им необходимой кин. энергии хаотического движения). Образно выражаясь, это попытка рассеянную в пространстве энергию сконцентрировать в объёме ядра, т.е. передать полю ядерных сил. Но это то же самое, что и передача тепла от холодного тела к нагретому, т.е. попытка нарушить 2 начало термодинамики.
    Ответить
    • a_b > qwark | 01.02.2010 | 10:52 Ответить
      "Но это то же самое, что и передача тепла от холодного тела к нагретому, т.е. попытка нарушить 2 начало термодинамики."
      Передачу тепла от холодного тела к нагретому мы наблюдаем ежедневно в приборе, именуемом "бытовой холодильник". 2-е начало термодинамики не запрещает холодильников и кондиционеров, оно лишь требует, чтобы к ним подводилась энергия. Во всех проектах УТС это требование соблюдается.
      Ответить
      • vik79 > a_b | 22.01.2012 | 15:44 Ответить
        Кто скажет:не этого ли,добивался Тесла?
        Ответить
  • lek  | 05.11.2013 | 18:23 Ответить
    А не кто не удивился 2 с половиной нейтронам
    Ответить
Написать комментарий

1900
1905, 1916
1917, 1934
Ядерный распад и синтез
около 1930
1957
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»