Салыстырмалылық теориясы массаны энергияның ерекше түрі дейді. Бұдан шығатыны, массаны энергияға, ал энергияны массаға айналдыруға болады. Атом ішілік деңгейде мұндай реакциялар жүреді. Атап айтқанда, атом ядросының массасының бір бөлігі энергияға айналуы мүмкін. Бұл бірнеше жолмен жүреді. Біріншіден, ядро бірнеше кішірек ядроларға ыдырауы мүмкін, бұл реакция «ыдырау» деп аталады. Екіншіден, кішірек ядролар оңай біріктіріліп, үлкенірек болады - бұл синтез реакциясы. Әлемде мұндай реакциялар өте жиі кездеседі. Біріктіру реакциясы жұлдыздар үшін энергия көзі екенін айтсақ та жеткілікті. Бірақ ыдырау реакциясын адамзат ядролық реакторларда пайдаланады, өйткені адамдар осы күрделі процестерді басқаруды үйренді. Бірақ ядролық тізбекті реакция дегеніміз не? Оны қалай басқаруға болады?
Атом ядросында не болады
Ядролық тізбекті реакция - элементар бөлшектер немесе ядролар басқа ядролармен соқтығысқанда болатын процесс. Неліктен «тізбек»? Бұл біртұтас ядролық реакциялар жиынтығы. Осы процестің нәтижесінде бастапқы ядроның кванттық күйі мен нуклондық құрамының өзгеруі орын алады, тіпті жаңа бөлшектер – реакция өнімдері пайда болады. Физикасы ядролардың ядролармен және бөлшектермен әрекеттесу механизмдерін зерттеуге мүмкіндік беретін ядролық тізбекті реакция жаңа элементтер мен изотоптарды алудың негізгі әдісі болып табылады. Тізбекті реакцияның ағымын түсіну үшін алдымен жалғыз реакциялармен айналысу керек.
Реакция үшін не қажет
Ядролық тізбекті реакция сияқты процесті жүзеге асыру үшін бөлшектерді (ядро мен нуклон, екі ядро) өзара әсерлесу радиусы күшті (бір фермиге жуық) қашықтықта жақындату қажет.. Егер қашықтық үлкен болса, онда зарядталған бөлшектердің әрекеттесуі таза кулондық болады. Ядролық реакцияда барлық заңдар сақталады: энергияның, импульстің, импульстің, барион зарядының сақталуы. Ядролық тізбекті реакция a, b, c, d символдық жиынымен белгіленеді. a таңбасы бастапқы ядроны, b кіретін бөлшекті, c жаңа шығатын бөлшекті және d нәтижелі ядроны білдіреді.
Реакция энергиясы
Ядролық тізбекті реакция жұтылумен де, энергияның бөлінуімен де жүруі мүмкін, бұл реакциядан кейінгі және оған дейінгі бөлшектердің массаларының айырмашылығына тең. Жұтылған энергия соқтығыстың минималды кинетикалық энергиясын анықтайды,ядролық реакцияның табалдырығы деп аталатын, ол еркін жүре алады. Бұл шек өзара әрекеттесуге қатысатын бөлшектерге және олардың сипаттамаларына байланысты. Бастапқы кезеңде барлық бөлшектер алдын ала анықталған кванттық күйде болады.
Реакцияны орындау
Ядроны бомбалайтын зарядталған бөлшектердің негізгі көзі протондар, ауыр иондар және жеңіл ядролар шоқтарын шығаратын бөлшектер үдеткіші болып табылады. Баяу нейтрондар ядролық реакторларды қолдану арқылы алынады. Түскен зарядталған бөлшектерді бекіту үшін синтез және ыдырау сияқты ядролық реакциялардың әртүрлі түрлерін қолдануға болады. Олардың ықтималдығы соқтығысатын бөлшектердің параметрлеріне байланысты. Бұл ықтималдық реакцияның көлденең қимасы сияқты сипаттамамен байланысты - ядроны түсетін бөлшектер үшін нысана ретінде сипаттайтын және бөлшек пен ядроның өзара әрекеттесу ықтималдығының өлшемі болып табылатын тиімді аймақтың мәні. Реакцияға спині нөлге тең емес бөлшектер қатысса, онда көлденең қима олардың бағдарына тікелей байланысты. Түскен бөлшектердің спиндері толығымен кездейсоқ бағытталған емес, көп немесе аз реттелген болғандықтан, барлық корпускулалар поляризацияланады. Бағдарланған сәуленің спиндерінің сандық сипаттамасы поляризация векторымен сипатталады.
Реакция механизмі
Ядролық тізбекті реакция дегеніміз не? Жоғарыда айтылғандай, бұл қарапайым реакциялар тізбегі. Түскен бөлшектің сипаттамалары және оның ядромен әрекеттесу массасына, зарядына,кинетикалық энергия. Өзара әрекеттесу соқтығыс кезінде қозатын ядролардың еркіндік дәрежесімен анықталады. Осы механизмдердің барлығын бақылау бақыланатын ядролық тізбекті реакция сияқты процеске мүмкіндік береді.
Тікелей реакциялар
Егер нысана ядроға соқтығысқан зарядталған бөлшек тек оған тиіп кетсе, онда соқтығыстың ұзақтығы ядро радиусының қашықтығын еңсеру үшін қажетті қашықтыққа тең болады. Мұндай ядролық реакция тура реакция деп аталады. Осы типтегі реакциялардың барлығына ортақ сипаттама еркіндік дәрежесінің аз санының қозуы болып табылады. Мұндай процесте бірінші соқтығысудан кейін бөлшек ядролық тартылуды жеңу үшін жеткілікті энергияға ие. Мысалы, нейтрондардың серпімсіз шашырауы, заряд алмасу және тікелей әрекеттесу сияқты әрекеттесулер. Мұндай процестердің «жалпы көлденең қима» деп аталатын сипаттамаға қосқан үлесі өте мардымсыз. Дегенмен, тікелей ядролық реакцияның өту өнімдерінің таралуы сәуленің бағыт бұрышынан шығу ықтималдығын, кванттық сандарды, қоныстанған күйлердің селективтілігін анықтауға және олардың құрылымын анықтауға мүмкіндік береді.
Алдын ала тепе-теңдік шығарылымы
Егер бөлшек бірінші соқтығысудан кейін ядролық әсерлесу аймағынан шықпаса, онда ол бірінен соң бірі соқтығысудың тұтас каскадына қатысады. Бұл шын мәнінде ядролық тізбекті реакция деп аталатын нәрсе. Осы жағдайдың нәтижесінде бөлшектің кинетикалық энергиясы арасында бөлінедіядроның құрамдас бөліктері. Ядро күйінің өзі бірте-бірте әлдеқайда күрделене түседі. Бұл процесс кезінде белгілі бір нуклон немесе тұтас кластер (нуклондар тобы) осы нуклонның ядродан шығуына жеткілікті энергияны шоғырландыра алады. Әрі қарай релаксация статистикалық тепе-теңдіктің қалыптасуына және құрама ядроның қалыптасуына әкеледі.
Тізбекті реакциялар
Ядролық тізбекті реакция дегеніміз не? Бұл оның құрамдас бөліктерінің тізбегі. Яғни, зарядталған бөлшектерден туындаған бірнеше ретті жалғыз ядролық реакциялар алдыңғы қадамдарда реакция өнімдері ретінде пайда болады. Ядролық тізбекті реакция дегеніміз не? Мысалы, алдыңғы ыдырау кезінде алынған нейтрондар арқылы бірнеше бөліну оқиғалары басталған кезде ауыр ядролардың бөлінуі.
Ядролық тізбекті реакцияның ерекшеліктері
Барлық химиялық реакциялардың ішінде тізбекті реакциялар кеңінен қолданылады. Пайдаланылмаған байланыстары бар бөлшектер бос атомдар немесе радикалдар рөлін атқарады. Ядролық тізбекті реакция сияқты процесте оның пайда болу механизмі кулондық тосқауылға ие емес нейтрондар арқылы қамтамасыз етіледі және жұтылу кезінде ядроны қоздырады. Егер ортада қажетті бөлшек пайда болса, онда ол тасымалдаушы бөлшектің жоғалуына байланысты тізбек үзілгенге дейін жалғасатын кейінгі түрлендірулер тізбегін тудырады.
Оператор неге жоғалды
Үздіксіз реакциялар тізбегінің тасымалдаушы бөлшектерін жоғалтудың екі себебі бар. Біріншісі - бөлшектің сәуле шығару процесінсіз жұтылуықосалқы. Екіншісі - бөлшектің тізбекті процесті қолдайтын зат көлемінің шегінен шығуы.
Процесстің екі түрі
Тізбекті реакцияның әрбір кезеңінде бір ғана тасымалдаушы бөлшек туатын болса, онда бұл процесті тармақталмаған деп атауға болады. Ол энергияның үлкен көлемде бөлінуіне әкеле алмайды. Егер тасымалдаушы бөлшектер көп болса, онда бұл тармақталған реакция деп аталады. Тармақталу бар ядролық тізбекті реакция дегеніміз не? Алдыңғы әрекетте алынған екінші реттік бөлшектердің бірі бұрын басталған тізбекті жалғастырады, ал басқалары жаңа реакциялар жасайды, олар да тармақталады. Бұл процесс үзіліске әкелетін процестермен бәсекелеседі. Нәтижесінде туындаған жағдай нақты сыни және шектейтін құбылыстарды тудырады. Мысалы, таза жаңа тізбектерге қарағанда көбірек үзілістер болса, онда реакцияның өзін-өзі қамтамасыз етуі мүмкін болмайды. Берілген ортаға бөлшектердің қажетті санын енгізу арқылы жасанды түрде қоздырылса да, процесс уақыт өте келе ыдырайды (әдетте тезірек). Егер жаңа тізбектердің саны үзілу санынан асып кетсе, онда ядролық тізбекті реакция заттың бойына тарай бастайды.
Критикалық жағдай
Сыни күй дамыған өзін-өзі қамтамасыз ететін тізбекті реакциясы бар материя күйінің аймағын және бұл реакция мүлдем мүмкін емес аймақты бөледі. Бұл параметр жаңа тізбектер саны мен мүмкін болатын үзілістер саны арасындағы теңдікпен сипатталады. Еркін тасымалдаушы бөлшектің болуы сияқты, критикалықмемлекет «ядролық тізбекті реакцияны жүзеге асыру шарттары» сияқты тізімнің негізгі тармағы болып табылады. Бұл жағдайдың жетістігі бірнеше ықтимал факторлармен анықталуы мүмкін. Ауыр элемент ядросының бөлінуі тек бір нейтронмен қозғалады. Ядролық ыдырау тізбегі реакциясы сияқты процестің нәтижесінде нейтрондар көбірек өндіріледі. Сондықтан бұл процесс нейтрондар тасымалдаушы ретінде әрекет ететін тармақталған реакцияны тудыруы мүмкін. Нейтрондардың бөлінусіз немесе қашусыз тұтылу жылдамдығы (жоғалту жылдамдығы) тасымалдаушы бөлшектердің көбейту жылдамдығымен өтелетін жағдайда, тізбекті реакция стационарлық режимде жүреді. Бұл теңдік көбейту коэффициентін сипаттайды. Жоғарыда көрсетілген жағдайда ол біреуге тең. Атом энергетикасында энергияның бөліну жылдамдығы мен көбейту коэффициенті арасында теріс кері байланысты енгізудің арқасында ядролық реакцияның жүруін бақылауға болады. Егер бұл коэффициент бірден үлкен болса, онда реакция экспоненциалды түрде дамиды. Бақыланбайтын тізбекті реакциялар ядролық қаруда қолданылады.
Энергиядағы ядролық тізбекті реакция
Реактордың реактивтілігі оның ядросында болатын көптеген процестермен анықталады. Бұл әсерлердің барлығы реактивтілік коэффициентімен анықталады. Графит таяқшаларының, салқындатқыш сұйықтықтардың немесе уранның температурасының өзгеруінің реактордың реактивтілігіне әсері және ядролық тізбекті реакция сияқты процестің қарқындылығы температуралық коэффициентпен сипатталады (салқындатқыш үшін, уран үшін, графит үшін). Сондай-ақ қуат бойынша, барометрлік көрсеткіштер бойынша, бу көрсеткіштері бойынша тәуелді сипаттамалар бар. Реактордағы ядролық реакцияны сақтау үшін кейбір элементтерді басқаларына айналдыру қажет. Ол үшін ядролық тізбекті реакцияның жүру жағдайларын ескеру қажет - ыдырау кезінде өзінен белгілі бір элементар бөлшектердің санын бөлуге және босатуға қабілетті заттың болуы, нәтижесінде олар, қалған ядролардың бөлінуін тудырады. Мұндай зат ретінде уран-238, уран-235, плутоний-239 жиі қолданылады. Ядролық тізбекті реакцияның өтуі кезінде бұл элементтердің изотоптары ыдырап, екі немесе одан да көп басқа химиялық заттарды түзеді. Бұл процесте «гамма» деп аталатын сәулелер шығарылады, энергияның қарқынды бөлінуі жүреді, реакцияны жалғастыруға қабілетті екі немесе үш нейтрон пайда болады. Баяу және жылдам нейтрондар бар, өйткені атомның ядросы ыдырауы үшін бұл бөлшектер белгілі бір жылдамдықпен ұшуы керек.
