Чем химические реакции отличаются от ядерных

§ 65. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции

От чувственных реальностей осталась
Сомнительная вечность вещества.
М. Волошин

Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?

Урок-лекция

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВИД. Химические реакции не единственный пример качественных изменений в природе. Другим важным классом подобных изменений являются процессы радиоактивного распада и ядерные реакции.

В начале 1896 г. французский ученый Антуан Анри Беккерель (1852—1908) обнаружил, что урановая соль самопроизвольно испускает лучи, подобные тем, что несколькими месяцами раньше открыл немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923).

«Эти лучи, — заявил Беккерель, — проходят через черную бумагу и засвечивают фотопластинку».

Спустя два дня Беккерель решил повторить опыты. Но, к сожалению, погода стояла пасмурная, а без солнечного света кристаллы урановой соли не фосфоресцировали. Пришлось положить фотопластинки и кристаллы соли, обернутые в плотную черную бумагу, в ящик стола. Через два дня ветер разогнал облака и можно было приступать к работе. Однако Беккерель решил (на всякий случай) проявить фотопластинки, пролежавшие два дня в ящике. К своему удивлению, он обнаружил на проявленной пластинке довольно четкие силуэты образцов соли. Но ведь урановая соль находилась два дня в темноте и не фосфоресцировала! Следовательно. она сама по себе испускает какие-то таинственные лучи, которые проходят через плотную черную бумагу и засвечивают фотопластинку.

Позже Беккерель установил, что чистый уран также испускает (и даже еще сильнее) эти лучи. Спустя два года явление, открытое Беккерелем, было названо радиоактивностью.

Оказалось, что радиоактивным является не только уран, но и торий. Были также открыты новые радиоактивные элементы — полоний (1898), радий (1898), актиний (1899) и радон (1899).

В первые два десятилетия после открытия Беккереля наибольший вклад в изучение радиоактивности внесли супруги Пьер и Мария Кюри (Франция) и Эрнест Резерфорд, английский физик, в 1898—1907 гг. работавший в Канаде.

Опыты Резерфорда (1899) и М. Кюри (1903) показали, что существует три вида самопроизвольных ядерных превращений (потом их число увеличилось, но те, что были открыты на рубеже XIX—XX вв., наиболее распространены):

— α-распад, когда ядро испускает α-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов (такая частица представляет собой ядро изотопа , т. е. его массовое число равно 4, а заряд +2), например:

(вспомните, из каких частиц состоят атомные ядра, что такое массовое число атома и что такое изотопы);

— β-распад, когда в неустойчивом ядре один из нейтронов превращается в протон, при этом ядро испускает электрон (β-частицу) и легкую частицу, называемую антинейтрино , например:

(далее вместо обозначения е — мы будем использовать другое: β);

— γ-распад, когда возбужденное ядро испускает излучение с очень малой длиной волны.

При всех этих распадах энергия ядра уменьшается.

Итак, при α-распаде массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра (порядковый номер) элемента — на две. При β-распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При γ-излучении, которое часто (но не всегда) сопутствует α- и β-распаду, ни атомный номер, ни массовое число не изменяются.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада Т_1/2, т. е. временем, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества. Величина Т_1/2 характеризует скорость радиоактивного распада и принимает различные значения для разных радиоактивных изотопов. Например, для изотопа период полураспада составляет 4,5х10 9 лет; для изотопа — 1,5х10 -4с . Причем скорость поишхо 82г распада не зависит от внешних условий.

Все ядра равны перед законом радиоактивного распада:

где N — число нераспавшихся атомов к моменту времени t. N₀ — число атомов в некий начальный момент. Ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет, имеют одинаковую вероятность распасться. Иными словами, радиоактивным распадом управляет случай.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. Итак, мы выяснили, что некоторые ядра могут самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов. В 1910 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов бомбардировкой а-частицами атомов азота:

Символ обозначает протон, т. е. ядро атома водорода . Заметим, что в принятой записи ядерных реакций (как естественных, так и искусственных) сумма массовых чисел (т. е. сумма верхних индексов) реагирующих частиц всегда равна сумме массовых чисел продуктов реакции. То же относится и к зарядам ядер (к нижним индексам). (Подумайте, почему это так.)

Обстреливая α-частицами разные ядра, удалось осуществить много ядерных реакций. Еще более разнообразные ядерные реакции удалось исследовать с помощью ускорителей, где заряженные частицы (к примеру, протоны, нейтроны, ядра различных элементов) разгоняются до больших скоростей и затем направляются на мишень. Среди всех ядерных реакций, пожалуй, самое важное место занимают реакции, вызываемые захватом нейтронов. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах.

Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами:

Подобные реакции широко применяются для получения новых изотопов, хотя отделить, скажем, от нелегко. (Подумайте почему.)

Большой научный и практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер г||и. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами, равными приблизительно половине массового числа делящегося урана:

Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Ядра изотопа могут захватывать нейтроны с небольшой энергией (5-10 эВ 1 так называемые тепловые нейтроны), а нейтроны, образующиеся при делении ядра обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, последние надо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана — выделившиеся нейтроны после замедления будут захватываться другими ядрами и т. д. В 1940 г. советские физики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон создали теорию цепной реакции деления.

В природном уране цепная реакция возникнуть не может, так как такой уран в основном состоит из двух изотопов: (99,3%) и (0,7%), причем первый из них захватывает нейтроны в основном без последующего деления. Осуществить цепную реакцию сумели как в виде взрыва (в атомной бомбе), так и в виде регулируемого процесса (в ядерном реакторе).

• Чем ядерные реакции отличаются от химических?
• Почему нельзя просто разогнать нейтрон в ускорителе и направить его на мишень, как это делают с протонами, электронами, атомными ядрами? Почему нейтроны удобно использовать в качестве бомбардирующих частиц?

Химическая реакция

Хими́ческая реа́кция — превращение одного или нескольких исходных веществ (реагентов) в отличающиеся от них по химическому составу или строению вещества (продукты реакции). В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не меняются, в частности не изменяется их общее число, изотопный состав химических элементов, при этом происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества.

Химические реакции происходят при смешении или физическом контакте реагентов самопроизвольно, при нагревании, участии катализаторов (катализ), действии света (фотохимические реакции), электрического тока (электродные процессы), ионизирующих излучений (радиационно-химические реакции), механического воздействия (механохимические реакции), в низкотемпературной плазме (плазмохимические реакции) и т. п. Взаимодействие молекул между собой происходит по цепному маршруту: ассоциация — электронная изомеризация — диссоциация, в котором активными частицами являются радикалы, ионы, координационно-ненасыщенные соединения. Скорость химической реакции определяется концентрацией активных частиц и разницей между энергиями связи разрываемой и образуемой.

Содержание

Классификация

Существует большое количество признаков, по которым можно классифицировать химические реакции.

По фазовому составу реагирующей системы

• Гомогенные гомофазные реакции. В реакциях такого типа реакционная смесь является гомогенной, а реагенты и продукты принадлежат одной и той же фазе. Примером таких реакций могут служить реакции ионного обмена, например, нейтрализация кислоты и щелочи в растворе:

NaOH(раств.) + HCl(раств.)→NaCl(раств.) + H₂O(жидкость)

• Гетерогенные гетерофазные реакции. В этом случае реагенты находятся в разном фазовом состоянии, продукты реакции также могут находиться в любом фазовом состоянии. Реакционный процесс протекает на границе раздела фаз. Примером может служить реакция солей угольной кислоты (карбонатов) с кислотами Бренстеда:

CO₃(твердое) + 2HCl(раств.)→Cl₂(раств.) + CO₂(газ) + H₂O(жидкость)

• Гетерогенные гомофазные реакции. Такие реакции протекают в пределах одной фазы, однако реакционная смесь является гетерогенной. Например, реакция образования хлорида аммония из газообразных хлороводорода и аммиака:

NH₃(газ) + HCl(газ)→NH₄Cl(твердое)

• Гомогенные гетерофазные реакции. Реагенты и продукты в такой реакции существуют в пределах одной фазы, однако реакция протекает на поверхности раздела фаз. Примером таких реакций являются некоторые гетерогенно-каталитические реакции, например, реакция синтеза аммиака из водорода и азота:

N₂(газ) + 3H₂(газ)→2NH₃(газ) (катализаторPt)

По изменению степеней окисления реагентов

В данном случае различают

• Окислительно-восстановительные реакции, в которых атомы одного элемента (окислителя) восстанавливаются, то есть понижают свою степень окисления, а атомы другого элемента (восстановителя) окисляются, то есть повышают свою степень окисления. Частным случаем окислительно-восстановительных реакций являются реакции диспропорционирования, в которых окислителем и восстановителем являются атомы одного и того же элемента, находящиеся в разных степенях окисления.

Пример окислительно-восстановительной реакции — горение водорода (восстановитель) в кислороде (окислитель) с образованием воды:

Пример реакции диспропорционирования — реакция разложения нитрата аммония при нагревании. Окислителем в данном случае выступает азот (+5) нитрогруппы, а восстановителем — азот (-3) катиона аммония:

NH₄NO₃ = N₂O + 2H₂O (до 250 °C)

• Не окислительно-восстановительные реакции — соответственно, реакции, в которых не происходит изменения степеней окисления атомов, например, указанная выше реакция нейтрализации.

По тепловому эффекту реакции

Все реакции сопровождаются тепловыми эффектами. При разрыве химических связей в реагентах выделяется энергия, которая, в основном, идет на образование новых химических связей. В некоторых реакциях энергии этих процессов близки, и в таком случае общий тепловой эффект реакции приближается к нулю. В остальных случаях можно выделить:

• экзотермические реакции, которые идут с выделением тепла, (положительный тепловой эффект) например, указанное выше горение водорода
• эндотермические реакции в ходе которых тепло поглощается (отрицательный тепловой эффект) из окружающей среды.

Тепловой эффект реакции (энтальпию реакции, Δ_rH), часто имеющий очень важное значение, можно вычислить по закону Гесса, если известны энтальпии образования реагентов и продуктов. Когда сумма энтальпий продуктов меньше суммы энтальпий реагентов (Δ_rH 0) — поглощение.

По типу превращений реагирующих частиц

• соединения:
• разложения:
• замещения:
• обмена (тип реакции-нейтрализация):
• обмена (тип реакции-обмена):

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

Химические процессы, протекающие в веществе, отличаются и от физических процессов, и от ядерных превращений. В физических процессах каждое из участвующих веществ сохраняет неизменным свой состав (хотя вещества могут образовывать смеси), но могут изменять внешнюю форму или агрегатное состояние.

В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов. В атомах же участвующих в реакции элементов обязательно происходят видоизменения электронной оболочки.

В ядерных реакциях происходят изменения в атомных ядрах всех участвующих элементов, что приводит к образованию атомов новых элементов.

С помощью химических реакций можно получать практически важные вещества, которые в природе находятся в ограниченных количествах, например азотные удобрения, либо вообще не встречаются по каким-либо причинам, например сульфаниламиды и другие синтетические лекарственные препараты, полиэтилен и другие пластмассы. Химия позволяет синтезировать новые, неизвестные природе вещества, необходимые для жизнедеятельности человека. Вместе с тем, неумелое или безответственное химическое воздействие на окружающую среду и на протекающие природные процессы может привести к нарушению установившихся естественных химических циклов, что делает актуальной экологическую проблему (загрязнение окружающей среды) и усложняет задачу рационального использования природных ресурсов и сохранения естественной среды обитания на Земле.

§ 65. Движение как качественное изменение. Ядерные реакции

От чувственных реальностей осталась
Сомнительная вечность вещества.
М. Волошин

Могут ли одни химические элементы превращаться в другие? Каковы особенности процесса радиоактивного распада? Как происходят ядерные реакции?

Урок-лекция

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВИД. Химические реакции не единственный пример качественных изменений в природе. Другим важным классом подобных изменений являются процессы радиоактивного распада и ядерные реакции.

В начале 1896 г. французский ученый Антуан Анри Беккерель (1852—1908) обнаружил, что урановая соль самопроизвольно испускает лучи, подобные тем, что несколькими месяцами раньше открыл немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923).

«Эти лучи, — заявил Беккерель, — проходят через черную бумагу и засвечивают фотопластинку».

Спустя два дня Беккерель решил повторить опыты. Но, к сожалению, погода стояла пасмурная, а без солнечного света кристаллы урановой соли не фосфоресцировали. Пришлось положить фотопластинки и кристаллы соли, обернутые в плотную черную бумагу, в ящик стола. Через два дня ветер разогнал облака и можно было приступать к работе. Однако Беккерель решил (на всякий случай) проявить фотопластинки, пролежавшие два дня в ящике. К своему удивлению, он обнаружил на проявленной пластинке довольно четкие силуэты образцов соли. Но ведь урановая соль находилась два дня в темноте и не фосфоресцировала! Следовательно. она сама по себе испускает какие-то таинственные лучи, которые проходят через плотную черную бумагу и засвечивают фотопластинку.

Позже Беккерель установил, что чистый уран также испускает (и даже еще сильнее) эти лучи. Спустя два года явление, открытое Беккерелем, было названо радиоактивностью.

Оказалось, что радиоактивным является не только уран, но и торий. Были также открыты новые радиоактивные элементы — полоний (1898), радий (1898), актиний (1899) и радон (1899).

В первые два десятилетия после открытия Беккереля наибольший вклад в изучение радиоактивности внесли супруги Пьер и Мария Кюри (Франция) и Эрнест Резерфорд, английский физик, в 1898—1907 гг. работавший в Канаде.

Опыты Резерфорда (1899) и М. Кюри (1903) показали, что существует три вида самопроизвольных ядерных превращений (потом их число увеличилось, но те, что были открыты на рубеже XIX—XX вв., наиболее распространены):

— α-распад, когда ядро испускает α-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов (такая частица представляет собой ядро изотопа , т. е. его массовое число равно 4, а заряд +2), например:

(вспомните, из каких частиц состоят атомные ядра, что такое массовое число атома и что такое изотопы);

— β-распад, когда в неустойчивом ядре один из нейтронов превращается в протон, при этом ядро испускает электрон (β-частицу) и легкую частицу, называемую антинейтрино , например:

(далее вместо обозначения е — мы будем использовать другое: β);

— γ-распад, когда возбужденное ядро испускает излучение с очень малой длиной волны.

При всех этих распадах энергия ядра уменьшается.

Итак, при α-распаде массовое число уменьшается на четыре единицы, а заряд ядра (порядковый номер) элемента — на две. При β-распаде атомный номер элемента увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При γ-излучении, которое часто (но не всегда) сопутствует α- и β-распаду, ни атомный номер, ни массовое число не изменяются.

Каждый радиоактивный изотоп характеризуется периодом полураспада Т_1/2, т. е. временем, за которое самопроизвольно распадается половина атомов исходного вещества. Величина Т_1/2 характеризует скорость радиоактивного распада и принимает различные значения для разных радиоактивных изотопов. Например, для изотопа период полураспада составляет 4,5х10 9 лет; для изотопа — 1,5х10 -4с . Причем скорость поишхо 82г распада не зависит от внешних условий.

Все ядра равны перед законом радиоактивного распада:

где N — число нераспавшихся атомов к моменту времени t. N₀ — число атомов в некий начальный момент. Ядро данного радиоактивного изотопа, родившееся только что, и ядро этого же изотопа, просуществовавшее миллионы лет, имеют одинаковую вероятность распасться. Иными словами, радиоактивным распадом управляет случай.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. Итак, мы выяснили, что некоторые ядра могут самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов. В 1910 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение элементов бомбардировкой а-частицами атомов азота:

Символ обозначает протон, т. е. ядро атома водорода . Заметим, что в принятой записи ядерных реакций (как естественных, так и искусственных) сумма массовых чисел (т. е. сумма верхних индексов) реагирующих частиц всегда равна сумме массовых чисел продуктов реакции. То же относится и к зарядам ядер (к нижним индексам). (Подумайте, почему это так.)

Обстреливая α-частицами разные ядра, удалось осуществить много ядерных реакций. Еще более разнообразные ядерные реакции удалось исследовать с помощью ускорителей, где заряженные частицы (к примеру, протоны, нейтроны, ядра различных элементов) разгоняются до больших скоростей и затем направляются на мишень. Среди всех ядерных реакций, пожалуй, самое важное место занимают реакции, вызываемые захватом нейтронов. Потоки нейтронов получают в результате ядерных реакций в ускорителях и в ядерных реакторах.

Приведем несколько примеров ядерных реакций, вызываемых нейтронами:

Подобные реакции широко применяются для получения новых изотопов, хотя отделить, скажем, от нелегко. (Подумайте почему.)

Большой научный и практический интерес представляют реакции, вызываемые бомбардировкой нейтронами ядер г||и. В результате такой реакции образуется смесь изотопов с массовыми числами, равными приблизительно половине массового числа делящегося урана:

Ядерный реактор оказался настоящей фабрикой радиоактивных изотопов.

Ядра изотопа могут захватывать нейтроны с небольшой энергией (5-10 эВ 1 так называемые тепловые нейтроны), а нейтроны, образующиеся при делении ядра обладают в миллионы раз большей энергией. Поэтому, чтобы реакция шла дальше за счет вылетающих при делении ядра нейтронов, последние надо замедлить. Тогда пойдет цепная реакция деления урана — выделившиеся нейтроны после замедления будут захватываться другими ядрами и т. д. В 1940 г. советские физики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон создали теорию цепной реакции деления.

В природном уране цепная реакция возникнуть не может, так как такой уран в основном состоит из двух изотопов: (99,3%) и (0,7%), причем первый из них захватывает нейтроны в основном без последующего деления. Осуществить цепную реакцию сумели как в виде взрыва (в атомной бомбе), так и в виде регулируемого процесса (в ядерном реакторе).

• Чем ядерные реакции отличаются от химических?
• Почему нельзя просто разогнать нейтрон в ускорителе и направить его на мишень, как это делают с протонами, электронами, атомными ядрами? Почему нейтроны удобно использовать в качестве бомбардирующих частиц?

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

В данной главе на конкретных примерах будут продемонстрированы особенности протекания ядерных реакций разного типа.

Ядерные взаимодействия

Благодаря действию ядерных сил две частицы при сближении до расстояний порядка ю -13 см вступают между собой в интенсивное ядерное взаимодействие, приводящее к преобразованию ядра. Этот процесс называется ядерной реакцией. Во время ядерной реакции происходит перераспределение энергии и импульса обеих частиц, которое приводит к образованию нескольких других частиц, вылетающих из места взаимодействия. При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего мог>т образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях. Ядерные реакции — процессы, в которых атомные ядра претерпевают превращения в результате их взаимодействия с элементарными частицами, у-квантами или атомными ядрами.

Следствием взаимодействия бомбардирующих частиц с ядрами мишени может быть:

• 1) Упругое рассеяние, при котором ни состав, ни внутренняя энергия не меняются, а происходит лишь перераспределение кинетической энергии в соответствии с законом внутреннего удара.
• 2) Неупругое рассеяние, при котором состав взаимодействующих ядер не меняется, но часть кинетической энергии бомбардирующего ядра расходуется на возбуждение ядра мишени.
• 3) Собственно ядерная реакция, в результате которой меняются внутренние свойства и состав взаимодействующих ядер.

Известно много типов ядерных реакций. В зависимости от частиц, вызывающих реакцию, их подразделяют на реакции под действием нейтронов, заряженных частиц или у-квантов. Возможна классификация ядерных реакций по энергиям вызывающих их протекание, а также по продуктам, возникающим в результате реакций (синтез, деление, скалывание и т.п.). Ядерные реакции клссифицируются по их механизмам. Характер взаимодействия налетающей частицы с ядром зависит от её кинетической энергии, массы, заряда и др. характеристик. Ядерные реакции различают и по их длительности. Если налетающая частица лишь касается ядра- мишени, а длительность столкновения равна времени прохождения налетающей частицей расстояния, равного радиусу ядра-мишени (т. е. составляет

ю* 22 с), то такие ядерные реакции относят к классу прямых реакций.

Примерами прямого взаимодействия являются неупругое рассеяние нейтронов (п, л’), реакции обмена зарядом, например, (р, п). Сюда же относят процессы, когда налетающий нуклон и один из нуклонов ядра связываются, образуя дейтрон, который вылетает, унося почти всю имеющуюся энергию [реакция подхвата (/5, d)], или когда ядру передаётся нуклон из налетающей частицы [реакция срыва (d, р)]. Продукты прямых реакций летят преимущественно вперёд. Вклад прямых процессов в полное сечение взаимодействия налетающей частицы с ядром-мишенью мал. Угловое распределение продуктов прямых ядерных реакций позволяет определить квантовые числа селективно заселяемых состояний в каждой конкретной реакции, а величина сечения — структуру этих состояний.

Если падающая частица (например, нуклон) не покидает область взаимодействия (ядро-мишень) после первого столкновения, то она вовлекается в каскад последовательных столкновений, в результате которых её начальная кинетическая энергия постепенно распределяется среди нуклонов ядра; возбуждёнными оказываются многочисленные степени свободы, а состояние ядра усложняется. В ходе этого процесса на отдельном нуклоне или группе нуклонов (кластере) может сконцентрироваться энергия, достаточная для их эмиссии из ядра. В процессе дальнейшей релаксации наступает равновесие и образуется составное ядро, время жизни которого

io -14 —10 18 с. Распад составного ядра не зависит от способа его образования. Тип распада определяется энергией возбуждения, угловым моментом, чётностью и изотопическим спином ядра.

Замечание. Большое число ядерных реакций протекает с образованием промежуточного составного ядра, которое отдаёт свою энергию возбуждения путём эмиссии у-квантов и переходит при этом в основное состояние конечного продукта.

В ядерных реакциях, идущих при относительно небольших энергиях налетающих частиц ( т лях на 1 моль (96 кДж/моль=1 эВ/атом). В химических реакциях не происходит превращения элементов; они сопровождаются изменением связи между атомами, а происходит превращение одних веществ в другие, без изменения ядер атомов, сопровождающееся изменением состава и/или связей между атомами. В ядерных реакциях образуются новые нуклиды, которые могут принадлежать различным элементам. В химических реакциях выделяется значительно меньше энергии, чем в ядерных реакциях. Например, при делении 1 г 2 35U выделяется 8,410” кДж, по сравнению с 34 кДж, которые выделяются при сгорании 1 г утля.

Уравнения ядерных реакций записывают в полной

или сокращённой форме

На основании эквивалентности энергии и массы можно вычислить энергию, выделяющуюся или затраченную при протекании ядерной реакции, если точно знать массу всех ядер и частиц, участвующих в реакции. Для реакции, записанной в общем виде А <х,у)В,имеем

Энергия ядерной реакции — кинетическая энергия, выделяющаяся или поглощающаяся в процессе ядерной реакции; она равна разности энергий покоя частиц в начальном и конечном состояниях.

Если теплота реакции Q является отрицательной величиной, то недостающая энергия должна быть восполнена за счёт кинетической энергии бомбардирующей частицы. Однако не вся кинетическая энергия бомбардирующей частицы превращается в энергию возбуждения, так как часть её, а именно ш_Л/(шд+Шдг), в виде энергии отдачи переходит к составному ядру. Поэтому кинетическая энергия, выделяющаяся при ядерной реакции, распределяется между продуктами у и В обратно пропорционально их массе.

Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой возможна эндотермическая реакция, называется пороговой.

Порог ядерной реакции — минимальная кинетическая энергия налетающей частицы, при которой возможна ядерная реакция. Порог ядерной реакции Епор всегда больше энергии реакции на величину энергии связанной с движением центра инерции в лабораторной системе координат.

Чем ядерный взрыв отличается от термоядерного?

«Росатом» рассекретил видеокадры самого мощного ядерного взрыва в истории. Речь идёт об испытаниях советской «Царь-бомбы» мощностью 58 мегатонн.

Разработанная в СССР под руководством академика Курчатова ядерная бомба АН602 весила 27 тонн, была 8 метров в длину и 2 метра в диаметре. Конструктивно она была рассчитана на мощность 100 мегатонн, но, как впоследствии шутил генсек Никита Хрущёв, заряд уменьшили, «чтобы не побить все стёкла в Москве».

Взрыв был произведён 30 октября 1961 года на архипелаге Новая Земля в Северном Ледовитом океане. Ударная волна трижды обогнула земной шар. Огненный купол было видно на расстоянии до тысячи километров. Грибовидное облако поднялось на высоту 68 километров, а в диаметре разрослось до 90 километров.

Взорванная «Царь-бомба» (другие неофициальные названия — «Иван» и «Кузькина мать») была термоядерной, или водородной. Как и атомная бомба, это ядерное оружие. Оба его типа высвобождают огромное количество энергии из небольшого количества вещества, но у них разный принцип действия. В чём же отличие?

В ядерной (атомной) бомбе используется лавинообразная реакция распада ядер тяжёлых обогащённых элементов: урана-235 или плутония-239. Реакция носит цепной характер. За короткий промежуток времени в ограниченном объёме возникает большое количество осколков деления (электронов, нейтронов) с очень высокой энергией. Они превращают в сгусток высокотемпературной плазмы весь расщепляющийся материал и любое вещество рядом с ним. Сгусток мгновенно расширяется, и происходит взрыв, вызывающий мощную ударную волну. Кроме того, бомба высвобождает фрагменты ядерного распада, из которых состоят радиоактивные осадки.

В термоядерном взрывном устройстве иной принцип действия: там лёгкие ядра атомов объединяются, чтобы создать более тяжёлый элемент. Например, происходит слияние изотопов водорода дейтерия и трития. В результате сверхбыстрой реакции синтеза внутриядерная энергия превращается в тепловую. Как и в случае с ядерной бомбой, в ограниченном объёме возникает сгусток высокотемпературной плазмы, расширение которого приобретает характер взрыва.

При этом подрыв основного боевого заряда в водородной бомбе осуществляется встроенным маломощным ядерным устройством. Проще говоря, термоядерная бомба приводится в действие маленькой ядерной: та играет роль детонатора, чтобы запустить реакцию синтеза.

Если сравнивать мощность двух типов ядерного оружия, то термоядерная (водородная) бомба даёт намного большую выходную энергию, чем ядерная (атомная). Кроме того, нет теоретических ограничений на создание термоядерного взрывного устройства любой мощности. С другой стороны, эта бомба более сложна в изготовлении.

Бытует мнение, что при взрыве термоядерной бомбы ниже радиоактивное заражение окружающей местности. На самом деле поражающие факторы у двух типов оружия одинаковые. Действительно, реакция термоядерного синтеза сама по себе не способствует выпадению радиоактивных осадков. Но она, повторим, инициируется ядерным взрывным устройством, которое является «грязным». Поэтому водородная бомба генерирует не меньше осадков, чем обычная ядерная.

Теоретически рассматривалась возможность создания «чистого» термоядерного оружия, в котором для начала реакции синтеза не применялся бы ядерный детонатор. Но на практике эту идею никто реализовать не пытался.