Ядерні реакції
2-й семестр
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
УРОК 13/90
Тема. Ядерні реакції
Мета уроку: ознайомити учнів з можливістю перетворення ядер хімічних елементів.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Демонстрації | 5 хв. | Відео-фрагменти фільму “Ядерні реакції”. |
Вивчення нового матеріалу | 28 хв. | 1. Ядерні реакції. 2. Енергетичний вихід ядерних реакцій. 3. Термоядерна реакція. |
Закріплення вивченого матеріалу | 12 | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Ядерні реакції
1919 р. Резерфорд уперше здійснив штучне перетворення атомних ядер. Під час бомбардування ядер азоту 
-частинками, які випускає радій, ядро Нітрогену перетворювалося в (нестабільне) ядро ізотопу Оксигену й випускався протон:
O Зміни атомних ядер під час взаємодії їх одне з одним або іншими частинками називаються ядерними реакціями.
Ядро являє собою “густе утворення”, і коли в нього потрапляє частинка,
Захоплення ядром частинки, що потрапила в нього, призводить до утворення проміжного, так званого складеного ядра. У цьому полягає перший етап ядерної реакції.
Другий етап ядерної реакції – перетворення складеного ядра – відбувається незалежно від захоплення падаючої частинки. Обидва етапи зображені схемою:
Де A1Z1X – вихідне ядро-мішень; a – налітаюча частинка; A2Z2Y – складене ядро; A3Z3C – ядро, що є продуктом ядерної реакції; b – частинка, що вилітає з ядра в результаті реакції. Можливе протікання реакції в один етап.
Щоб могла відбутися ядерна реакція, необхідно, щоб ядро й частинка (або два ядра) зблизилися на дуже малу відстань – таку, щоб між ними почали діяти ядерні сили, що характеризуються малим радіусом дії.
Якщо обидві початкові частинки позитивно заряджені, то в разі їх зближення між ними виникають великі електростатичні сили відштовхування, для подолання яких необхідна велика початкова енергія частинок.
Відкриття нейтрона докорінно змінило уявлення про умови протікання ядерних реакцій – виявилося, що для цього не обов’язково потрібні частинки з великими кінетичними енергіями. Оскільки нейтрон не має електричний заряд, він не відштовхується від ядра й безперешкодно проникає в нього, зумовлюючи ядерну реакцію.
Під час ядерних реакцій обов’язково виконуються різні закони збереження (наприклад, закон збереження енергії, імпульсу, заряду, маси й ін.).
Всі ядерні реакції можна класифікувати:
– за видом взаємодії:
А) під дією заряджених частинок;
Б) під дією нейтронів.
– за енергетичним виходом:
А) з виділенням енергії;
Б) з поглинанням енергії.
2. Енергетичний вихід ядерних реакцій
Ядерні реакції можуть відбуватися як із поглинанням енергії, так і з виділенням енергії. Тип реакції легко визначити за масами ядер або частинок, що вступають у реакцію і є продуктами цієї реакції. Якщо сумарна маса ядер і частинок зменшується після реакції на? m, то енергія спокою зменшується на? E = ?mc2. Відповідно до закону збереження енергії саме така енергія повинна виділитися внаслідок ядерної реакції. У такому випадку говорять про енергетичний вихід? E ядерної реакції.
Якщо сумарна маса ядер і частинок збільшується після реакції на? m, то енергія спокою збільшується на? E = ?mc2, тобто відповідна енергія за такої реакції поглинається. Якщо не враховувати енергію?-квантів, то кінетична енергія продуктів реакції повинна бути на AE менше від кінетичної енергії ядер і частинок, що вступили в реакцію.
Енергетичний вихід реакції можна визначити й за різницею сумарної енергії зв’язку ядер, що утворюються й вихідних.
Енергія ядерної реакції: 
Де 
– сума мас частинок, що вступають у ядерну реакцію; 
– сума мас частинок, що утворюються, в а. о. м.
Якщо Q > 0 – реакція називається екзоенергетичною, тому що йде з виділенням енергії.
Якщо Q < 0 - реакція називається ендоенергетичною і для її порушення необхідно затратити енергію (наприклад, прискорити частинки, тобто передати їм достатню кінетичну енергію).
Відповідно до закону збереження енергії “поглинання” і “виділення” енергії слід сприймати тільки в тому розумінні, що під час ядерних реакцій відбувається перетворення одного виду енергії в іншій: у разі поглинання енергії кінетична енергія початкових частинок перетворюється у внутрішню енергію ядра, а в разі виділення енергії початкова внутрішня енергія ядра частково перетворюється в кінетичну енергію частинок, що утворюються.
Хімічні реакції також можуть відбуватися з поглинанням і виділенням енергії (наприклад, горіння). Однак порівняння масштабів виділення енергії під час ядерних і хімічних реакцій дає такий результат: під час повного ділення ядер одного грама урану виділяється стільки ж енергії, скільки під час згоряння трьох тонн вугілля.
3. Термоядерна реакція
Ядерна енергія вивільнюється не тільки в ядерних реакціях ділення важких ядер, але й у реакціях з’єднання легких атомних ядер. Так, наприклад, маса спокою ядра Гелію значно менше від суми мас спокою двох ядер важкого Гідрогену, на які можна розділити ядро Гелію.
Це означає, що під час злиття легких ядер маса спокою зменшується, отже, повинна виділятися значна енергія. Але для з’єднання однойменно заряджених протонів необхідно подолати кулонівські сили відштовхування, що можливе за досить великих швидкостей частинок, що зіштовхуються. Подібного роду реакції злиття легких ядер можуть протікати тільки за дуже високих температур. Тому вони називаються термоядерними.
O Термоядерні реакції – це реакції злиття легких ядер за дуже високої температури.
Необхідні умови для синтезу ядер Гелію із протонів є в надрах зір. На Землі термоядерна реакція синтезу здійснюється під час проведення експериментальних термоядерних вибухів.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Які закони збереження виконуються під час ядерних реакцій?
2. Чому під час реакцій ділення важких ядер виділяється енергія?
3. Чому нейтрони виявляються найбільш зручними частинками для бомбардування атомних ядер?
4. Чому під час ділення ядер Урану виділяється енергія?
Другий рівень
1. У чому полягає головна відмінність ядерних реакцій на нейтронах від ядерних реакцій, спричинених зарядженими частинками?
2. Згоряє шматок паперу. Чи є горіння ядерною реакцією?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Відбувся мимовільний розпад ядра. Виділилася чи поглинулася енергія під час цього розпаду? Відповідь обгрунтуйте. Розв’язання. Виділилася. У результаті мимовільного розпаду ядро переходить у стан з меншою енергією – у більш стійкий стан.
2. Для чого потрібні в ядерних реакціях прискорювачі?
2). Навчаємося розв’язувати задачі
1. Напишіть відсутні позначення в таких ядерних реакціях:
2. Визначте енергію, що виділяється під час ділення 4,7 г чистого Урану-235. Уважайте, що під час кожного ділення ядра Урану виділяється енергія 200 МеВ. Визначте масу бензину, що під час згоряння виділяє таку саму енергію. Питома теплота згоряння бензину 44 МДж/кг.
3. Ядро Урану 292U поглинає один нейтрон і ділиться на два осколки й чотири нейтрони. Один з осколків – ядро 13755Cs. Ядром якого ізотопу є другий осколок?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Зміни атомних ядер під час взаємодії їх одне з одним або іншими частинками називаються ядерними реакціями.
– Енергетичним виходом ядерної реакції називають різницю енергії спокою частинок до й після реакції.
– Якщо Q > 0 – реакція називається екзоенергетичною, тому що йде з виділенням енергії.
– Якщо Q < 0 - реакція називається ендоенергетичною і для її порушення необхідно затратити енергію.
– Термоядерні реакції – це реакції злиття легких ядер за дуже високої температури.
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 56 (п. 4, 5); підр-2: § 29 (п. 1, 2).
2. Зб.:
Рів1 № 17.32; 17.33; 17.34; 17.35.
Рів2 № 17.36; 17.37; 17.61; 17.62.
Рів3 № 17.63, 17.64; 17.65; 17.66.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 15.
ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 14 “ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ Й ЕНЕРГІЯ ЗВ’ЯЗКУ ЯДЕР. ЯДЕРНА ЕНЕРГЕТИКА”
Завдання 1 (1,5 бала)
У результаті влучення нейтрона в ядро Алюмінію 2713Al утворюється -частинка і ядро деякого елемента.
А -частинка являє собою ядро атома важкого Гідрогену.
Б Атомний номер ядра, що утворилося, більше 12.
В Рівняння реакції має вигляд 
Г Рівняння реакції має вигляд 
Завдання 2 (2,5 бала)
Ядра тритію 31Н за дуже високої температури вступають у ядерну реакцію синтезу, у результаті якої утворюється нове ядро й два нейтрони.
А Рівняння реакції має вигляд 
Б Рівняння реакції має вигляд 
В У результаті реакції сумарна маса спокою частинок збільшується.
Г У результаті реакції утворюється два протони.
Завдання 3 (3 бали)
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічна пара). До кожного рядка, позначеного буквою, підберіть твердження, позначене цифрою.
А Реакції синтезу.
Б Реакції ділення.
В Керовані ланцюгові ядерні реакції.
Г Термоядерні реакції.
1 Реакції злиття легких ядер за дуже високої температури.
2 Розщеплення ядра на менш масивні ядра.
3 Утворення ядра з менш масивних ядер.
4 Реакції, у яких число ядер, що діляться, може збільшуватися з часом.
5 Реакції, що проходять стаціонарно, у яких число ядер, що діляться, залишається постійним.
Завдання 4 (5 балів)
Користуючись довідковими таблицями, обчисліть енергію зв’язку ядра Карбону 136С.
