Энергия ядерной реакции (энергетический выход)

Ядерная энергия — это энергия, выделяющаяся в реакци­ях с участием атомных ядер и элементарных частиц.

Какая это энергия и в любых ли ядерных превращениях она выделя­ется? Необходимо ввести количественную характеристику выделившейся энергии и определить энергетический выход реакции как разность «пользы» и «затрат». Пусть несколько ядер, провзаимодействовав, превратились в другие ядра и элементарные частицы. Запишем схему этого процесса:

X₁ + X₂ + … → X’₁ + X’₂ + ….

Как можно получить энергию в результате такой реакции? Только отобрав ее у конечных ядер. Если в результате реак­ции образовались быстрые частицы, то, затормозив их, мы превратим их кинетическую энергию в теплоту, которая затем может быть преобразована в электрическую энер­гию. Таким образом, «польза» — это кинетическая энергия частиц (ядер), образовавшихся в результате реакции. А что такое «затраты»? По-видимому, это энергия, которую нуж­но вложить для того, чтобы произошла ядерная реакция. И ее действительно приходится вкладывать. Это связано с тем, что ядерные силы короткодействующие, поэтому, что­бы ядра провзаимодействовали, их нужно сблизить на очень малые расстояния — порядка 10^-15 — 10^-14 м. Но все ядра положительно заряжены, кулоновские силы отталки­вают их друг от друга. Значит, для того, чтобы произошла реакция, ядрам нужно сообщить кинетическую энергию, которая при их сближении перейдет в работу против кулоновских сил. Это и есть «затраты». Так вот энергетическим выходом реакции называют величину, равную разности кинетических энергий продуктов реакции и начальных ча­стиц, участвующих в процессе.

Запишем закон сохранения энергии для ядерной реакции:

(штрихом отмечены характеристики частиц в конечном со­стоянии). Тогда энергетический выход реакции будет равен:

Q = Σ_jE’_КИНj — Σ_iE’_КИНi = c²(Σ_im_i — Σ_jm’_j).

Если Q > 0, то реакция идет с выделением энергии и назы­вается экзотермической (от греч. exo — «вне»). Например,

p + ⁷Li → α + α + 17 МэВ.

Если Q < 0, то реакция идет с по­глощением энергии и называется эндотермической (от греч. endon — «внутри»). Пример такой реакции:

α + α → p + ⁷Li + 17 МэВ.

При упругом рассеянии, когда состав и состояние частиц не меняются, в результате реакции Q = 0 (в результате упругого рассеяния частицы могут только из­менить направление своего движения).

Зависимость удельной энергии связи от массового числа ядра

Поскольку в ядерных реакциях сохраняются суммарный электрический заряд и суммарное число нуклонов A (пос­леднее, правда, при энергиях ядер, не превышающих ~300 МэВ), то выражение для энергетического выхода можно переписать в виде:

Q = Σ_jE’_СВj — Σ_iE_СВi = Σ_jε’_СВjA’_j — Σε’_СВiA_j = (ε’_СР — ε_СР)A.

где ε_СР и ε’_СР — средняя удельная энергия связи начальных и конечных ядер. Таким образом, энергетический выход ядерной реакции положителен, если удельные энергии свя­зи конечных ядер больше удельных энергий связи началь­ных ядер. Материал с сайта http://worldof.school

Зависимость удельной энергии связи от порядкового номе­ра ядра очень интересна. Удельная энергия быстро увели­чивается с ростом Z(A) для легких ядер, достигает макси­мального значения, примерно равного 8 МэВ/нуклон в области Z = 26 (это железо, Fe), а затем плавно убывает при движении к концу таблицы Менделеева. И именно наличие «железного» максимума определяет возможность получе­ния ядерной энергии. Очевидны два «пути движения в сто­рону увеличения удельных энергий связи» — развал тяже­лых ядер и слияние (синтез) легких.

Анализ хода кривой удельной энергии связи (см. рисунок) показывает, что при делении тяжелых ядер можно получить огромное количество энергии. Ведь «ядерное топливо» намного калорийнее химического. Для практи­ческого осуществления «ядерного горения» необходимо, чтобы, во-первых, ядерное топливо было доступным, т. е. до­статочно распространенным в природе, а во-вторых, чтобы реакция деления протекала в макроскопических масштабах, когда одновременно разваливаются на осколки не единичные ядра, а макроскопическое число ядер. Поскольку даже в радиоактивных препаратах, содержащих макроскопическое количество неустойчивых ядер, число распадов в 1 с не так уж велико, для получения мощного тепловыделения нужно «спровоцировать» распад относительно стабильных ядер.

На этой странице материал по темам:

• Ядерная физика формулы