Цепная ядерная реакция

Энергосбережение

Кинетическая энергия может высвобождаться в ходе реакции ( ) или кинетическая энергия может потребоваться для того, чтобы реакция имела место ( ). Это можно вычислить, используя таблицу очень точных масс покоя частиц, как показано ниже: согласно справочным таблицам,6 3Лиядро имеет стандартный атомный вес 6.015 атомных единиц массы (сокращенно u ), дейтерий — 2.014 u, а ядро ​​гелия-4 — 4.0026 u. Таким образом:

  • сумма масс покоя отдельных ядер = 6,015 + 2,014 = 8,029 ед .;
  • полная масса покоя двух ядер гелия = 2 × 4,0026 = 8,0052 ед .;
  • недостающая масса покоя = 8,029 — 8,0052 = 0,0238 атомных единиц массы.

В ядерной реакции сохраняется полная (релятивистская) энергия . Следовательно, «недостающая» масса покоя должна снова появиться в виде кинетической энергии, высвобождаемой в реакции; его источником является энергия связи ядра . Используя формулу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E  =  mc ², можно определить количество выделяемой энергии. Сначала нам нужен энергетический эквивалент одной атомной единицы массы :

1 u   = (1,66054 × 10 −27  кг) × (2,99792 × 10 8  м / с) ² 
= 1,49242 × 10 −10  кг (м / с) ² = 1,49242 × 10 −10  Дж ( джоуль ) × (1  МэВ  / 1,60218 × 10 −13  Дж)
= 931,49 МэВ,
так что 1 u   = 931,49 МэВ.

Следовательно, выделяемая энергия составляет 0,0238 × 931 МэВ = 22,2 МэВ .

Выражаясь по-другому: масса снижается на 0,3%, что соответствует 0,3%, 90 ПДж / кг составляет 270 ТДж / кг.

Это большое количество энергии для ядерной реакции; количество настолько велико, потому что энергия связи на нуклон ядра гелия-4 необычно высока, потому что ядро ​​He-4 является « дважды магическим ». (Ядро He-4 необычайно стабильно и тесно связано по той же причине, что и атом гелия инертен: каждая пара протонов и нейтронов в He-4 занимает заполненную 1s ядерную орбиталь так же, как пара электронов в атоме гелия. атом гелия занимает заполненную 1s электронную орбиталь ). Следовательно, альфа-частицы часто появляются в правой части ядерных реакций.

Энергия, выделяющаяся в ядерной реакции, может проявляться в основном одним из трех способов:

  • кинетическая энергия частиц продукта (часть кинетической энергии заряженных продуктов ядерной реакции может быть непосредственно преобразована в электростатическую энергию);
  • излучение фотонов очень высокой энергии , называемых гамма-лучами ;
  • некоторая энергия может оставаться в ядре в виде метастабильного энергетического уровня .

Если ядро-продукт является метастабильным, это обозначается звездочкой («*») рядом с его атомным номером. Эта энергия в конечном итоге высвобождается в результате ядерного распада .

Небольшое количество энергии может также появиться в виде рентгеновских лучей . Как правило, ядро-продукт имеет другой атомный номер, и поэтому конфигурация его электронных оболочек неправильная. По мере того как электроны перестраиваются и переходят на более низкие уровни энергии, могут испускаться рентгеновские лучи внутреннего перехода (рентгеновские лучи с точно определенными линиями излучения ).

Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергии. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер, для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии — энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций — это минимум 107 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.

Энергетика ядерных реакций

В ядерных превращениях выполняется закон сохранения энергии (наряду с другими законами сохранения). При этом кинетическая энергия частиц во входном и выходном канале реакции могут различаться за счет изменения энергии покоя. Так как последняя эквивалентна массе частиц, до и после реакции массы также будут неодинаковы. Но полная энергия системы всегда сохраняется.

Разность энергии покоя вступающих в реакцию и выходящих из нее частиц называется энергетическим выходом и выражается в изменении их кинетической энергии.

Цепная ядерная реакция

В процессах с участием ядер задействуются три вида фундаментальных взаимодействий – электромагнитное, слабое и сильное. Благодаря последнему ядро обладает такой важнейшей особенностью, как высокая энергия связи между составляющими его частицами. Она существенно выше, чем, например, между ядром и атомными электронами или между атомами в молекулах. Об этом свидетельствует заметный дефект массы – разница между суммой масс нуклонов и массой ядра, которая всегда меньше на величину, пропорциональную энергии связи: Δm = Eсв/c2. Расчет дефекта массы производится по простой формуле Δm = Zmp + Amn – Мя, где Z – заряд ядра, A – массовое число, mp – масса протона (1,00728 а.е.м.), mn – масса нейтрона (1,00866 а.е.м.), Mя – масса ядра.

При описании ядерных реакций используется понятие удельной энергии связи (то есть в расчете на один нуклон: Δmc2/A).

Как Вы можете увидеть, ядерные реакции проникли практически во все сферы деятельности человека. Рассмотрим их по отдельности.

Энергетика. Энергетика — важнейшая отрасль хозяйства и промышленности. Не зря мой проект рассматривает именно проблемы этой отрасли. Благодаря тому, что человек научился проводить управляемую ядерную реакцию и аккумулировать полученную энергию, затрачивая при этом минимальное количество сырья, намного уменьшилось потребление традиционных видов органического топлива. Секрет успеха ядерной энергетики заключается в том, что количество сырья практически неисчерпаемо на Земле. По расчетам специалистов урана при текущем потреблении хватит на Земле еще на несколько десятков тысяч лет. Обычно, для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобрабразуется в тепло. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, делались попытки создать ядерный двигатель для самолётов.

Военная сфера. Применение цепных ядерных реакций в военной сфере вызывает наибольшее количество вопросов и опасений. При проведении неуправляемой, т.е. взрывной, ядерной реакции с целью уничтожения чего-либо. погибает все живое на огромных пространствах. Не зря ядерное оружие относят к числу оружия массового поражения. Впервые силу ядерного оружия ощутили на себе японцы — жители городов Хиросима и Нагасаки — в конце Второй мировой войны. Последствия сказываются и в наше время. Дело в том, что при взрыве в окружающую среду выплескивается огромное количество радиации. вредной для человека. В наши дни в вышеназванных городах все еще рождаются дети с аномальными отклонениями физического состояния — это потомки тех людей. которые подверглись радиационному облучению в день взрывов.

Синтез новых элементов. Ядерные реакции являются, по сути. реакциями получения новых элементов, т.к. при расщеплении или слиянии ядер получаются другие элементы таблицы Менделеева. Существуют несколько видов реакций — альфа-распад, бета-распад и гамма-распад.

Медицина. В связи с прогрессом в развитии техники ускорителей и новых диагностических систем, таких как сцинтилляционные камеры, однолучевой и позитронно-эмиссионный томографы, низкоэнергетические детекторы типа многопроволочных пропорциональных камер и др., все большее значение в медицинских и биохимических исследованиях приобретают различные радионуклиды. В современной ядерной медицине для научно-исследовательских, диагностических и терапевтических целей применяют свыше 50 циклотронных радионуклидов с периодом полураспада от нескольких минут до нескольких лет. В работе рассматриваются общие положения, методы и экспериментальные результаты, определяющие получение наиболее важных и широко используемых в настоящее время, а также перспективных для ядерной медицины и биохимии циклотронных радионуклидов. Среди них группа ультракороткоживуших изотопов (11С, 13N, 15O, 18F), некоторые гамма-излучатели (123I, 201Tl, 67Ga, 111In), генераторные радионуклиды (18Rb,81mKr,82Sr, 82Rb, 52Fe, 52mMn и др.), группа перспективных радионуклидов специального назначения (26Al, 67Cu, 97Ru, 237Pu) и ряд других изотопов.

Научные исследования. Ядерные реакции довольно широко применяются в научных работах в определенных сферах. Существуют целые научные города, занимающиеся научными исследованиями с использованием ядерных технологий. Самый яркий пример — подмосковная Дубна, недавно получившая официальный статус наукограда.

Размещено на Allbest.ru

Ядерные реакции деления

Если в результате ядерной реакции ядро расщепляется на более мелкие ядра, такую реакцию называют ядерной реакцией деления.

Деление ядер может происходить самопроизвольно или в результате взаимодействия ядра с другими частицами.

При самопроизвольном, или спонтанном, делении ядро распадается на 2 равные части. Такое деление возможно только у тяжёлых ядер в момент, когда силы электростатического отталкивания протонов в ядре становятся больше ядерных сил. Вероятность этого события крайне мала. К примеру, за пять миллиардов лет лишь одна двухмиллионная часть ядер урана, самого тяжёлого элемента в природе, подверглась спонтанному распаду.

Большинство ядерных реакций деления тяжёлых ядер происходят под действием нейтронов.

В 1939 г. немецкие учёные Отто Ган и Фридрих Вильгельм Штрассман, исследуя элементы, образовавшиеся после облучения урана нейтронами, обнаружили радиоактивный изотоп бария, масса которого была значительно меньше массы урана. Учёные пришли к выводу, что барий образовался в результате распада ядер урана.

Объяснение этого процесса с точки зрения физики дали австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник, английский физик-ядерщик Отто Роберт Фриш. Они впервые употребили термин «деление» и выдвинули версию о делении ядра урана под воздействием нейтрона на 2 примерно одинаковых по массе осколка.

И в самом деле всё происходит именно так. В ядерной реакции деления тяжёлое ядро урана распадается на два (реже три) ядра, массы которых близки по величине.

В природе встречаются три изотопа урана: 23492U, 23592U и 23892U. Особый интерес для физиков представляет реакция деления ядра урана 23592U. При попадании в него нейтрона, образуются 2 или 3 ядра-осколка и 2-3 нейтрона второго поколения. Эти нейтроны способны вызвать деление других ядер урана и появление 4-9 нейтронов третьего поколения, которые могут бомбардировать новые ядра урана. Процесс деления нарастает лавинообразно. Такую ядерную реакцию называют цепной реакцией деления.

Но так происходит только в идеальном случае. На самом деле не все нейтроны могут вызывать деление ядер урана23592U.  В добытом из урановой руды природном уране в процентном отношении 23592U составляет всего лишь 0,72%. Доля 23492U ещё меньше — 0,0055 %. Остальные 99,2745 % приходятся на долю 23892U. Этот изотоп относительно устойчив и просто поглощает нейтроны, не давая начаться цепной реакции. Часть нейтронов поглощается ядрами других элементов, образовавшихся на предыдущем этапе цепной реакции. И их концентрации может оказаться недостаточно, чтобы цепная реакция развивалась. Поэтому, чтобы цепная реакция продолжалась, необходимо, чтобы на следующем этапе реакции нейтронов было больше, чем на предыдущем.

В куске урана с маленькой массой нейтроны могут вообще вылетать за его пределы, не успев столкнуться ни с одним ядром.  Минимальную массу вещества, которая необходима для начала самоподдерживающейся цепной реакция деления, называют критической массой. Для природного урана 23592U критическая масса равна 50 кг.

В результате реакции деления 23592Uвозможно образование около ста различных изотопов: 14456 Ba (барий), 14054 Хе (ксенон), 94 38 Sr (стронций) и т.д. Так как в образовавшихся ядрах-осколках наблюдается избыток нейтронов, то они нестабильны. В них происходят последовательноβ–-распады, в результате которых протонов в ядрах становится больше, а количество нейтронов уменьшается. И так продолжается до тех пор, пока новое ядро не станет стабильным.

В процессе деления одного ядра урана освобождается кинетическая энергия порядка 200 МэВ. Это огромная величина. И человечество научилось использовать её с пользой для себя, создав управляемые ядерные реакторы.

Электронная лавина в газах

Лавина электронов происходит между двумя электродами несвязанных в газе , когда электрическое поле превышает определенный порог. Случайные тепловые столкновения атомов газа могут привести к появлению нескольких свободных электронов и положительно заряженных ионов газа в процессе, называемом ударной ионизацией . Ускорение этих свободных электронов в сильном электрическом поле заставляет их набирать энергию, а когда они сталкиваются с другими атомами, энергия вызывает высвобождение новых свободных электронов и ионов (ионизация), что способствует тому же процессу. Если этот процесс происходит быстрее, чем он естественным образом подавляется рекомбинацией ионов, новые ионы размножаются в последовательных циклах, пока газ не превратится в плазму, и ток будет свободно течь в разряде.

Электронные лавины необходимы для процесса пробоя диэлектрика в газах. Процесс может завершиться коронным разрядом , стримерами , поводками или искрой или непрерывной электрической дугой, которая полностью перекрывает зазор. Процесс может распространять огромные искры — стримеры в грозовых разрядах распространяются путем образования электронных лавин, созданных в высоком градиенте потенциала перед приближающимися концами стримеров. Однажды начавшись, лавины часто усиливаются за счет создания фотоэлектронов в результате ультрафиолетового излучения, испускаемого атомами возбужденной среды в области кормовой части. Чрезвычайно высокая температура образующейся плазмы приводит к растрескиванию молекул окружающего газа, и свободные ионы рекомбинируют с образованием новых химических соединений.

Этот процесс также можно использовать для обнаружения излучения, которое инициирует процесс, поскольку прохождение отдельных частиц может усиливаться до больших разрядов. Это механизм счетчика Гейгера, а также возможна визуализация с помощью искровой камеры и других проволочных камер .

§ 1. Некоторые сведения из истории открытия деления ядра урана

После открытия нейтрона физики получили в свое
распоряжение частицу, способную, ввиду отсутствия заряда, проникать
в любые, в том числе и тяжелые, ядра. Исследования воздействия
нейтронов на ядра, главным образом тяжелых элементов, велись в
широких масштабах. Итальянский физик Э. Ферми в 1934 году начинает
опыты по бомбардировке различных ядер нейтронами и получает радиоактивные
изотопы

В ходе этих исследований он делает важное открытие: эффективность
воздействия нейтронов значительно увеличивается, если между 
источником нейтронов и облучаемым веществом поместить замедлитель
нейтронов

Облучая нейтронами уран, Ферми получает трансурановые
элементы: нептуний и плутоний. Вскоре после сообщения Ферми о
трансурановых элементах, немецкая исследовательница Ида Ноддак
опубликовала в Химическом журнале статью, в которой выдвинула
смелую гипотезу о том, что под действием нейтрона ядро урана может
разделиться на несколько больших осколков, которые не являются
соседями урана
в таблице Менделеева. Однако, эта идея
показалась неправдоподобной, Ферми счел предположение Ноддак абсурдным.
В 1938 году Ирен Кюри вместе с югославом Павлом Савичем заметила,
что в уране, облученном нейтронами, присутствует лантан, элемент
с массовым числом А=139.

В том же году эти опыты были повторены немецким
учены Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Статья Гана и Штрассмана
была опубликована в январе 1939 года под заглавием «О доказательстве
возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами
и их свойствах».  Еще до опубликования статьи Ган прислал
своей бывшей сотруднице Лизе Мейтнер письмо с изложением своих
результатов. Мейтнер, будучи еврейкой немецкого происхождения,
эмигрировала после захвата Австрии Гитлером в Стокгольм. В это
время к ней на рождественские каникулы приехал ее племянник Отто
Фриш, работавший раньше в институте кайзера Вильгельма и эмигрировавший
в Данию. Фриш и Мейтнер объяснили результаты Гана и Штрассмана:
при попадании нейтрона ядро урана делится на два осколка, приобретающие
под действием электростатического отталкивания энергию около 200
МэВ
, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом
массы.

16 января 1939 года они опубликовали статью,
в которой впервые был употреблен термин «деление»

Чрезвычайную
важность этого нового тип ядерной реакции сразу понял Фредерик
Жолио-Кюри. 8 марта 1939 года он опубликовал заметку, в которой
сообщил о испускании нейтронов при делении ядра урана

Теперь
встал со всей силой вопрос о цепной реакции деления и о возможности
получения оружия фантастически огромной разрушительной силы: 1
сентября 1939 года нападением нацистской Германии на Польшу началась
Вторая мировая война.

История

В 1919 году Эрнест Резерфорд смог осуществить преобразование азота в кислород в Манчестерском университете, используя альфа-частицы, направленные на азот 14 N + α → 17 O + p. Это было первое наблюдение индуцированной ядерной реакции, то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. В конце концов, в 1932 году в Кембриджском университете коллеги Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон осуществили полностью искусственную ядерную реакцию и ядерную трансмутацию , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», хотя это не была современная реакция ядерного деления, позже обнаруженная в тяжелых элементах в 1938 году немецкими учеными Отто Ганом , Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманном .

Осуществление реакции

Цепная ядерная реакция

Основным источником заряженных частиц, которыми бомбардируется ядро, является ускоритель заряженных частиц, который дает пучки протонов, тяжелых ионов и легких ядер. Медленные нейтроны получают благодаря использованию ядерных реакторов. Для фиксации налетающих заряженных частиц могут быть использованы разные типы ядерных реакций — как синтеза, так и распада. Вероятность их зависит от параметров частиц, которые сталкиваются. С этой вероятностью связана такая характеристика, как сечение реакции – величина эффективной площади, которая характеризует ядро в качестве мишени для налетающих частиц и которая является мерой вероятности вступления частицы и ядра во взаимодействие. Если в реакции принимают участие частицы с ненулевым значением спина, то сечение напрямую зависит от их ориентации. Так как спины налетающих частиц ориентированы не совсем хаотично, а более-менее упорядоченно, то все корпускулы будут поляризованы. Количественная характеристика ориентированных спинов пучка описывается вектором поляризации.

Реакции распада

Ядра могут претерпевать спонтанное изменение состава и структуры, при которых происходит испускание каких-либо элементарных частиц или фрагментов ядра, таких как альфа-частицы или более тяжелые кластеры.

Так, при альфа-распаде, возможном благодаря квантовому туннелированию, альфа-частица преодолевает потенциальный барьер ядерных сил и покидает материнское ядро, которое, соответственно, уменьшает атомный номер на 2, а массовое число – на 4. Например, ядро радия-226, испуская альфа-частицу, превращается в радон-222:

22688Ra → 22286Rn + α (42He).

Энергия распада ядра радия-226 составляет около 4,87 МэВ.

Цепная ядерная реакция

Бета-распад, обусловленный слабым взаимодействием, происходит без изменения количества нуклонов (массового числа), но с увеличением или уменьшением заряда ядра на 1, при испускании антинейтрино или нейтрино, а также электрона или позитрона. Примером ядерной реакции данного типа является бета-плюс-распад фтора-18. Здесь один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучаются позитрон и нейтрино, а фтор превращается в кислород-18:

189K → 188Ar + e+ + νe.

Энергия бета-распада фтора-18 – около 0,63 МэВ.

Химические цепные реакции

В 1913 немецкий химик Макс Боденштайн сначала выдвинул идею химических цепных реакций. Если две молекулы реагируют, не, только молекулы заключительных продуктов реакции сформированы, но также и некоторые нестабильные молекулы, имея собственность способности далее реагировать с родительскими молекулами с намного большей вероятностью, чем начальные реагенты. В новой реакции далее нестабильные молекулы сформированы помимо стабильных продуктов и так далее.

В 1923 датские и голландские ученые Кристиан Кристиэнсен и Хендрик Энтони Крэмерс, в анализе формирования полимеров, указали, что такая цепная реакция не должна начинаться с молекулы, взволнованной при свете, но могла также начаться с двух молекул, сталкивающихся яростно традиционным способом, классически ранее предложенным для инициирования химических реакций фургоном’ t Hoff.

Кристиэнсен и Крэмерс также отметили, что, если бы в одной связи цепи реакции две или больше нестабильных молекулы произведены, цепь реакции ветвилась бы и выросла бы. Результат — фактически экспоненциальный рост, таким образом давая начало взрывчатым увеличениям темпов реакции, и действительно к самим химическим взрывам. Это было первым предложением по механизму химических взрывов.

Количественная теория химической реакции цепи была создана советским физиком Николаем Семеновым в 1934. Семенов разделил Нобелевскую премию в 1956 с сэром Сирилом Норманом Хиншелвудом, который независимо развил многие из тех же самых количественных понятий.

Главные шаги цепной реакции происходят через следующие шаги.

  • Инициирование (в этом шаге активная частица, часто свободный радикал, произведена).
  • Распространение (может включить несколько элементарных шагов, как, например, реакция элементарные действия, где активная частица посредством реакции формирует другую активную частицу, которая продолжает цепь реакции, входя в следующий элементарный шаг); особые случаи:

:: * переход цепи (случай распространения ступают, когда более новая активная форма частиц в шаге, чем входят в него);

:: * передача цепи (случай, в который активная частица входит в элементарную реакцию с бездействующей частицей, которая в результате становится другой активной частицей наряду с формированием из другой бездействующей частицы от начальной активной).

Завершение (элементарный шаг, в котором активная частица теряет свою деятельность, не передавая цепь; e. g. перекомбинация свободных радикалов).

некоторых цепных реакций есть сложные уравнения уровня с фракционным заказом или смешанной кинетикой заказа.

Пример

Реакция H + бром → 2 HBr продолжается следующим механизмом:

Инициирование

: Бром → 2 брома

: каждый атом брома — свободный радикал, обозначенный символом «·» представление несоединенного электрона.

Распространение (здесь цикл двух шагов)

: Бром • + H → HBr + H

: H • + бром → HBr + бром

: сумма этих двух шагов соответствует полной реакции H + бром → 2 HBr с катализом бромом • который участвует в первом шаге.

Промедление (запрещение)

: H • + HBr → H + бром

: этот шаг определенный для этого примера и соответствует первому шагу распространения наоборот.

Завершение 2 брома • → бром

: перекомбинация двух радикалов, соответствующих в этом примере к инициированию наоборот.

этой реакции есть начальный темп фракционного порядка и полное уравнение уровня со знаменателем с двумя терминами (кинетика смешанного заказа).

Далее химические примеры

  • В химической реакции каждом шаге H + цепная реакция Статьи потребляет одну молекулу H или Статьи, одного свободного радикала H · или Статья · производство одной молекулы HCl и другого свободного радикала.
  • В полимеризации роста цепи шаг распространения соответствует удлинению растущей цепи полимера.
  • Цепная реакция полимеразы, техника, используемая в молекулярной биологии, чтобы усилить (делают много копий), часть ДНК в пробирке ферментативным повторением, используя полимеразу ДНК.

История

Химические цепные реакции были впервые предложены немецким химиком Максом Боденштейном в 1913 году и были достаточно хорошо изучены до того, как были предложены ядерные цепные реакции. Было понятно, что цепные химические реакции ответственны за экспоненциально увеличивающиеся скорости реакций, например, возникающих при химических взрывах.

Как сообщается, концепция ядерной цепной реакции была впервые выдвинута венгерским ученым Лео Сцилардом 12 сентября 1933 года. В то утро Сцилард читал в лондонской газете об эксперименте, в котором протоны из ускорителя использовались для расщепления лития-7 на альфа-частицы, и тот факт, что в результате реакции было произведено гораздо большее количество энергии, чем поставляемый протон. Эрнест Резерфорд отметил в статье, что неэффективность процесса не позволяет использовать его для производства электроэнергии. Однако нейтрон был открыт незадолго до этого в 1932 году как продукт ядерной реакции. Сцилард, получивший образование инженера и физика, соединил в уме два результата ядерных экспериментов и понял, что если ядерная реакция производит нейтроны, которые затем вызывают дальнейшие аналогичные ядерные реакции, процесс может быть самовоспроизводящейся ядерной цепочкой. -реакция, спонтанно производящая новые изотопы и мощность без протонов или ускорителя. Сцилард, однако, не предлагал деление в качестве механизма своей цепной реакции, поскольку реакция деления еще не была обнаружена или даже подозревалась. Вместо этого Сцилард предложил использовать смеси более легких известных изотопов, которые производят нейтроны в больших количествах. В следующем году он подал патент на свою идею простого ядерного реактора.

В 1936 году Сцилард попытался создать цепную реакцию с использованием бериллия и индия , но безуспешно. Ядерное деление было открыто Отто Ганом и Фрицем Штрассманном в декабре 1938 года и теоретически объяснено в январе 1939 года Лизой Мейтнер и ее племянником Отто Робертом Фришем . Несколькими месяцами позже Фредерик Жолио-Кюри , Х. фон Халбан и Л. Коварски в Париже искали и открыли размножение нейтронов в уране, доказав, что ядерная цепная реакция по этому механизму действительно возможна.

4 мая 1939 года Жолио-Кюри, Халбан и Коварски подали три патента. Первые два описывали производство энергии с помощью ядерной цепной реакции, последний, названный Perfectionnement aux charge explosives, был первым патентом на атомную бомбу и зарегистрирован как патент № 445686 Caisse nationale de Recherche Scientifique .

Параллельно Сцилард и Энрико Ферми из Нью-Йорка провели такой же анализ. Это открытие привело к письму Сциларда за подписью Альберта Эйнштейна президенту Франклину Д. Рузвельту , предупреждающему о возможности того, что нацистская Германия могла бы попытаться создать атомную бомбу.

2 декабря 1942 года группа во главе с Ферми (включая Сциларда) произвела первую искусственную самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию с экспериментальным реактором Chicago Pile-1 (CP-1) на площадке для игры в ракетки под трибунами Stagg Field в Чикагский университет . Эксперименты Ферми в Чикагском университете были частью Arthur H. Compton «s Металлургической лаборатории в Манхэттенском проекте ; Позже лаборатория была переименована в Аргоннскую национальную лабораторию , и ей было поручено проводить исследования по использованию деления для ядерной энергии.

В 1956 году Пол Курода из Университета Арканзаса предположил, что естественный реактор деления мог когда-то существовать. Поскольку для ядерных цепных реакций могут потребоваться только природные материалы (такие как вода и уран, если в уране содержится достаточное количество 235 U), эти цепные реакции могли происходить в далеком прошлом, когда концентрации урана-235 были выше, чем сегодня, и где было правильное сочетание материалов в земной коре. Предсказание Куроды было подтверждено открытием свидетельств естественных самоподдерживающихся ядерных цепных реакций в прошлом в Окло в Габоне в сентябре 1972 года.

Правила записи ядерных реакций

В примерах, приведенных ниже, демонстрируются способы, с помощью которых принято описывать реакции с участием ядер и элементарных частиц.

Первый способ – тот же, что применяется в химии: в левой части ставятся исходные частицы, в правой – продукты реакции. Например, взаимодействие ядра бериллия-9 с налетающей альфа-частицей (так называемая реакция открытия нейтрона) записывается следующим образом:

94Be + 42He → 126C + 1n.

Верхние индексы обозначают количество нуклонов, то есть массовые числа ядер, нижние – количество протонов, то есть атомные номера. Суммы тех и других в левой и правой части должны совпадать.

Сокращенный способ написания уравнений ядерных реакций, часто применяющийся в физике, выглядит так:

94Be (α, n) 126C.

Общий вид такой записи: A (a, b1b2…) B. Здесь A – ядро-мишень; a – налетающая частица или ядро; b1, b2 и так далее – легкие продукты реакции; B – конечное ядро.