Ядролық реакциялар. Жасанды радиоактивтілік. Ауыр ядролардық бөлінуі. Тізбекті ядролық реакция. Сындық масса. Физика, 11 сынып, қосымша материал.

Теориялық материал.

Қарапайым ядролық реакциялар. Тәзбекті ядролық реакция. Термоядролық реакция

 Ядролардың бір – бірімен немесе элементар бөлшектер әсерлесуінің түрленулерін ядролық реакциялар деп атайды. Көп жағдайларда ядролық реакцияларда екі ядро және екі бөлшек қатысады. Ядро мен бөлшектің бір жұбы бастапқы жұп, екіншісі – соңғы жұп делінеді.

 Ядролық реакцияның символдық жазылуы: а+b→B+b. Мұндағы А және В – бастапқы және соңғы ядролар, а және в бастапқы және соңғы бөлшектер. Ядролық реакция оған қатысатын дастапқы және жұптардың кинетикалық энергияларының айырмасына тең Q ядролық реакция энергиясымен сипатталады. Q<0 болғанда реакциялар энергияны жұта жүреді және эндотермиялық деп аталады, Q>0 болғанда энергияны (реакция) шығара жүреді және экзотермиялық деп аталады. Барлық ядролық реакцияларда энергия, импульс, заряд және нуклондар санының сақталу заңдары орындалады. Барлық ядролық реакцияларда энергия, импульс, заряд және нуклондар саныны сақталу заңдары орындалады.Ең бірінші ядролық реакцияны Резерфорд жүзеге асырды: 

 Нейтрон жасанды радиоактивтік ашылмастан бұрын ядролық реакцияларда алынды: 

 Зарядты бөлшектер үдеткештерінің өмірге келуі әр түрлі ядролық реакцияларды жүзеге асырудың мүмкіншіліктерін елеулі кеңейтті

 Ядроның бөлінуі деп нейтронды қосып алу нәтиежесінде қоздырылған ауыр ядроның жарықшақтар деп аталатын шамамен бірдей екі бөлікке бөліну ядролық реакциясын реакциясын айтады. Ауыр ядроның бөлінуі кезінде орасан зор энергия бөлініп шығады. Бөлінетін ядроның әр нуклонына келетін энергия шамамен алғанда 1 МэВ. Мысалы, 238 нуклоны бар уран ядросы бөлінгенде шамамен 220 МэВ бөлінеді. Ал 1 кг бөлінгенде шығатын энергия ~ 22000 кВТ сағ.

 Ядроның бөлінуі деп нейтронды қосып алу нәтиежесінде қоздырылған ауыр ядроның жарықшақтар деп аталатын шамамен бірдей екі бөлікке бөліну ядролық реакциясын реакциясын айтады. Ауыр ядроның бөлінуі кезінде орасан зор энергия бөлініп шығады. Бөлінетін ядроның әр нуклонына келетін энергия шамамен алғанда 1 МэВ.  Егер бөліну нейтрондарының әрқайсысы бөлінетін заттың көршілес ядроларымен әсерлесіп, олардың бөлінуін тудырса, онда реакция тізбекті реакция деп аталады.Тізбекті реакцияның пайда болуының шарты – ядро бөлінген кездегі нейтрондар көбеюінің орын алуы.

 Егер бөліну нейтрондарының әрқайсысы бөлінетін заттың көршілес ядроларымен әсерлесіп, олардың бөлінуін тудырса, онда реакция тізбекті реакция деп аталады. Тізбекті реакцияның пайда болуының шарты – ядро бөлінген кездегі нейтрондар көбеюінің орын алуы.

 Басқармалы тізбекті реакциялар жүзеге асырылатын қондырғылар ядролық реакторлар деп аталады. , уран изотоптары, Рu плутоний, торий реакторлардың ядролық отыны болып табылады.

 Ядролық жарылыстың энергиясын бейбiт мақсатта қолдану мүмкiн емес. Сондықтан ядролық реакция кезiнде бөлiнетiн энергияны пайдалана алу үшiн тiзбектi реакцияны еркiмiзше басқара алатындай болуымыз қажет. Мұндай басқарылатын тiзбектi реакцияны ядролық реакторлар немесе атомдық қазандықтар деп аталатын қондырғыда жүзеге асырады.

 Ядролық реактордың жұмыс iстеу принципiн мына жерден қарап көруге болады. Реактордың негiзгi элементтерi: ядролық отын, нейтрондарды шағылдырғыш және баяулатқыш, реакторда бөлiнетiн жылуды тасымалдағыш, тiзбектi реакцияның жылдамдығын реттегiш. Реакторлар шабан және шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар болып бөлiнедi. 

 Алғашқы жасалған реактор шабан нейтрондарды қолданатын реактор. Уран ядросы бөлшектенгенде бөлiнетiн нейтрондардың энергиясы шамамен 1-2 МэВ. Сәйкес олардың жылдамдықтары 107 м/с, сондықтан оларды шапшаң нейтрондар деп атайды. Мұндай энергиядағы нейтрондар 235U және 238U ядроларымен бiрдей қарқындылықпен әсерлеседi. Ал табиғи уранда 235U уранның ара салмағы аз болғандықтан нейтрондар негiзiнен 238U уранмен әсерлеседi де тiзбектi реакция жүзеге аспайды. Ал жылулық қозғалыстың жылдамдығындай (шамамен 2•103 мӨс) жылдамдықпен қозғалатын нейтрондар шабан немесе жылулық нейтрондар деп аталады. Жылулық нейтрондарды 235U ядросы шапшаң нейтрондарға қарағанда 500 есе қарқындырақ жұтады. Сондықтан табиғи уранды шабан нейтрондармен сәулелендiргенде оның көп бөлiгi 238U ядросымен емес 235U ядросына жұтылады. Сондықтан тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн нейтрондарды баяулату қажет. 

Алғашқы ядролық реакторлар

Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960).СРО-да 25 желтоқсанда 1946 жылы К И.В. Курчатовтың басшылығымен жасалды

Энрико Ферми (1901-1954).Э.Фермидің басшылығымен 1942 ж. 2 желтоқсанда алғашқы реактор АҚШ-та алынды.

 Тізбекті ядролық реакция деп белгілі ядролық реакция келесі дәл сондай реакцияны туғызатын процесті айтады.

 Ядролық реактор дегеніміз ядролық тізбекті реакция жүретін қондырғыны айтады.

• Жылдам нейтрондармен жұмыс жасайтын және баяулатқышы жоқ реакторды жылдам нейтрон реакторлары деп атайды.
• Жылдам нейтрондармен ядросының бөліну ықтималдығы өте аз, алайды егер қаныққан уран қолданса мәселені шешуге болады. Қаныққан уран дегеніміз құрамында 15% изотопы бар уранды айтады Бұл реакторлардың артықшылығы – реакция нәтижесінде біршама плутоний бөлінеді. Сондықтан да бұл реакторларды көбейткіштер деп атайды, себебі олар бөлінетін (ядерное горючее) материал түзеді.
• Жылдам нейтрондармен жұмыс жасайтын және баяулатқышы жоқ реакторды жылдам нейтрон реакторлары деп атайды.
• Жылдам нейтрондармен ядросының бөліну ықтималдығы өте аз, алайды егер қаныққан уран қолданса мәселені шешуге болады. Қаныққан уран дегеніміз құрамында 15% изотопы бар уранды айтады Бұл реакторлардың артықшылығы – реакция нәтижесінде біршама плутоний бөлінеді. Сондықтан да бұл реакторларды көбейткіштер деп атайды, себебі олар бөлінетін (ядерное горючее) материал түзеді.

Термоядролық реакциялар

Термоядролық реакция- өте жоғары температурада жеңіл ядролардың бірігіп, ауырлау ядроны түзу реакциясы

Термоядролық реакцияның өту шарты

Оң зарядталған жеңіл ядролардың бірігуіне кулондық тебілу күші кедергі жасайды. Кулондық тебіліс күшін бөлшектерге зор кинетикалық энергия беру арқылы жеңеді. Жеңіл ядролар бір-біріне

10-14 м-ге жуық қашықтыққа жақындағанда ғана кулондық күшті жеңіп бірігіп, жаңа ядроны түзеді, және өте көп энергия босап шығады. Ол үшін зат 107 К температураға ие болуы керек. Сондықтан да реакция «термоядролық реакция» (латын тілінен аударғанда «therme-жылы дегенді білдіреді) деп аталады.

4 г гелийдің бірігуі 2 вагон көмірдің жануына тең.

 Күн әр секунд сайын сәуле шығару арқылы 4·1026 Дж энергиясынан айырылады. Сондай – ақ массасы 4,3млн тоннаға кемиді.

 Сутекті бомба

Дейтерий мен тритийдің қоспасы атом бомбасымен ортақ қабықтың ішінде орналасады. Басқарылмайтын термоядролық реакцияны жүзеге асыруға қажетті температура мен қысым атом бомбасын жару арқылы алынады. 1961жылы 30қазан күні ең қуатты сутекті бомба А.Д.Сахаров және Харитоновтың басшылығымен СССР-да жүзеге асты. Осылайша атом бомбасының жарылысы термоядролық (сутекті) бомбаның қопарылысына ұласады.

Жоғары температурадағы плазманы салқын қабырғаларға тигізбей күшті магнит өрісінде ұстап тұру тәсілін 1950 жылы Ресей физиктері А.Д.Сахаров пен И.Е.Тамм ұсынды. Осы идеяға негізделіп жасалған тәжірибелік қондырғыны “Токамак” деп атаған.

Токамак болат өзекшелері бар трансформатордан, айнымалы магнит өрісін тудыратын орамадан, тороидальды вакуумдық камерадан, плазмадан және қума магнит өрісін тудыратын орамадан тұрады.

Игор Васильевич Курчатов – орыс физигі, атомдық бомбаның атасы. 1902-1960 ж. аралығында өмір сүрген. Курчатовтың басшылығымен әлемдегі ең алғаш қуаты 400кВт сутекті бомба 1953 жылы іске қосылған.

Андрей Дмитриевич Сахаров-1921жылы 21мамырда Мәскеу каласында дүниеге келген. Кеңес физигі, академик, Сутеті бомбаны жүзеге асырушылардың бірі.

Игорь Евгеньевич Тамм (1895-1971).

Мәскеудің Владивосток қаласында туылған. Кеңес физик-теоретигі. Физикадан Нобель сыйлығының лауреаты. Теориялық физиканың негізін қалаушы.