Ядерні реакції: просто і зрозуміло
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Зміст:
Розщеплення ядра атома та здатність використовувати ядерну енергію, як в творчих (атомна енергетика), так і руйнівних (атомна бомба) цілях стало, мабуть, одним з найбільш значущих винаходів минулого ХХ століття. Ну а в основі всієї тієї грізної сили, що таїтися в надрах крихітного атома лежать ядерні реакції.
Визначення
Під ядерними реакціями у фізиці розуміється процес взаємодії атомного ядра з іншим подібним йому ядром або різними елементарними частинками, у результаті чого відбувається зміни складу і структури ядра.
Трохи історії
Перша ядерна реакція в історії була зроблена великим вченим Резерфордом у далекому 1919 році під час дослідів по виявленню протонів у продуктах розпаду ядер. Вчений бомбардував атоми азоту альфа частками, і при зіткненні частинок відбувалася ядерна реакція.
Ось так виглядало рівняння цієї ядерної реакції. Саме Резерфорду належить заслуга відкриття ядерних реакцій.
Потім пішли численні досліди вчених щодо здійснення різних типів ядерних реакцій, наприклад, досить цікавою і значущою для науки була ядерна реакція, викликана бомбардуванням атомних ядер нейтронами, яку провів видатний італійський фізик Е. Фермі. Зокрема Фермі виявив, що ядерні перетворення можуть бути викликані не тільки швидкими нейтронами, але й повільними, що рухаються з тепловими швидкостями. До речі ядерні реакції, викликані впливом температури, дістали назву термоядерних. Що ж стосується ядерних реакцій під дією нейтронів, то вони дуже швидко отримали свій розвиток в науці, та ще й який, про це читайте далі.
Типова формула ядерної реакції.
Види реакцій
В цілому відомі на сьогоднішній день ядерні реакції можна розділити на:
- поділ атомних ядер
- термоядерні реакції
Нижче детально напишемо про кожну з них.
Поділ атомних ядер
Реакція розподілу атомних ядер передбачає розпад власне ядра атома на дві частини. У 1939 році німецькими вченими О. Ганом і Ф Штрассманом був відкритий поділ ядер атому урану, продовжуючи дослідження вчених попередників, вони встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної таблиці Менделєєва, а саме радіоактивні ізотопи барію, криптону і деяких інших елементів. На жаль, ці знання спочатку були використані в страхітливих, руйнівних цілях, адже почалася друга світова війна і німецькі, а з іншого боку, американські та радянські вчені наввипередки займалися розробкою ядерної зброї (в основі якої була ядерна реакція урану), що закінчилася сумно відомими «ядерними грибами» над японськими містами Хіросімою та Нагасакі.
Але повернімося до фізики, ядерна реакція урану при розщепленні його ядра володіє просто таки колосальною енергією, яку наука змогла поставити собі на службу. Як же відбувається подібна ядерна реакція? Як ми написали вище, вона відбувається внаслідок бомбардування ядра атома урану нейтронами, від чого ядро розколюється, при цьому виникає величезна кінетична енергія. Але що найцікавіше, у якості продукту ядерної реакції поділу ядра урану від зіткнення з нейтроном, виникає кілька вільних нових нейтронів, які, в свою чергу, стикаються з новими ядрами, розколюють їх, і так далі. В результаті нейтронів стає ще більше і ще більше ядер урану розколюється від зіткнень з ними – виникає справжня ланцюгова ядерна реакція.
Ось так вона виглядає на схемі.
При цьому коефіцієнт розмноження нейтронів повинен бути більше одиниці, це необхідна умова ядерної реакції подібного виду. Іншими словами, у кожному наступному поколінні нейтронів, утворених після розпаду ядер, їх повинно бути більше, ніж у попередньому.
Варто зауважити, що за схожим принципом ядерні реакції при бомбардуванні можуть проходити і під час поділу ядер атомів деяких інших елементів, з тими нюансами, що ядра можуть бомбардуватись різними елементарними частинками, так і продукти таких ядерних реакцій будуть різнитися, щоб описати їх більш детально, потрібна ціла наукова монографія
Термоядерні реакції
В основі термоядерних реакцій лежать реакції синтезу, тобто, по суті, відбувається зворотний процес поділу, ядра атомів не розколюються на частини, а, навпаки, зливаються один з одним. При цьому також відбувається виділення великої кількості енергії.
Термоядерні реакції, як це випливає із самої назви (термо – температура) можуть протікати тільки при дуже високих температурах. Адже щоб два ядра атомів злилися, вони повинні наблизитися на дуже близьку відстань одне до одного, при цьому подолавши електричне відштовхування їх позитивних зарядів, таке можливо при існуванні великої кінетичної енергії, яка в свою чергу можлива лише при високих температурах. Слід зауважити, що на Сонці відбуваються термоядерні реакції водню, втім, не тільки на ньому, але і на інших зірках, можна навіть сказати, що саме вони лежить в самій основі природи будь-якої зірки.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.