Деление и синтез

Протоны и нейтроны составляют ядро, которое является основой ядерной науки. Деление и синтез включают в себя рассредоточение и объединение элементарных ядер и изотопов, и часть ядерной науки состоит в том, чтобы понять процесс, стоящий за этим явлением. Сложение отдельных масс каждой из этих субатомных частиц любого данного элемента всегда даст вам большую массу, чем масса ядра в целом.Отсутствующая идея в этом наблюдении — это концепция, называемая ядерной энергией связи. Энергия связи ядер это энергия, необходимая для сохранения протонов и нейтронов ядра в неприкосновенности, а энергия, которая высвобождается во время ядерного деления или синтеза, является ядерной энергией. Однако есть некоторые вещи, которые следует учитывать. Масса ядра элемента в целом меньше суммарной массы его отдельных протонов и нейтронов. Разницу в массе можно объяснить энергией связи ядер. По сути, энергия связи ядра рассматривается как масса, и эта масса становится «отсутствующей». Эта недостающая масса называется дефект массы, которая представляет собой ядерную энергию, также известную как масса, высвобождаемая в результате реакции в виде нейтронов, фотонов или любых других траекторий. Короче говоря, термины «дефект массы» и «энергия связи ядра» взаимозаменяемы.

Ядерное деление и синтез

Нядерное деление представляет собой расщепление тяжелого ядра на два более легких. Деление было открыто в 1938 году немецкими учеными Отто Ганом, Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом, которые бомбардировали образец урана нейтронами, пытаясь получить новые элементы с Z > 92. Они заметили, что более легкие элементы, такие как барий (Z = 56) образовались в ходе реакции, и они поняли, что такие продукты должны были возникнуть в результате нейтронного деления урана-235: [_^textrm U+,_0^1textrm n rightarrow ,_^ textrm+,_^textrm+3_0^1textrm n label] Эта гипотеза была подтверждена обнаружением продукта деления криптона-92. Как обсуждалось в разделе 20.2, ядро ​​обычно делится асимметрично, а не на две равные части, и деление данного нуклида не дает каждый раз одни и те же продукты. В типичной реакции ядерного деления каждое делящееся ядро ​​высвобождает более одного нейтрона. Когда эти нейтроны сталкиваются с другими соседними ядрами и вызывают их деление, возникает самоподдерживающаяся серия ядерных реакций деления, известная как ядерная цепь реакция может привести ( рис. 21.6.2 ). Например, при делении 235 U выделяется от двух до трех нейтронов за акт деления. При поглощении другими ядрами 235 U эти нейтроны вызывают дополнительные акты деления, и скорость реакции деления увеличивается в геометрической прогрессии. Каждая серия событий называется поколением. Экспериментально установлено, что для поддержания цепной ядерной реакции требуется некоторая минимальная масса делящегося изотопа; если масса слишком мала, слишком много нейтронов могут улететь, не захватившись и не вызвав реакции деления. Минимальная масса, способная поддерживать устойчивое деление, называется критическая масса. Это количество зависит от чистоты материала и формы массы, которая соответствует количеству доступной площади поверхности, с которой могут улетучиваться нейтроны, а также от идентичности изотопа. Если масса делящегося изотопа больше критической массы, то при правильных условиях образующаяся сверхкритическая масса может взрывоопасно выделять энергию. Огромная энергия, высвобождаемая в результате цепных ядерных реакций, несет ответственность за массовые разрушения, вызванные детонацией ядерного оружия, такого как бомбы деления, но она также составляет основу ядерной энергетики. Термоядерная реакция, в котором два легких ядра объединяются, чтобы произвести более тяжелое и более стабильное ядро, противоположно ядерному делению. Как и в реакциях ядерной трансмутации, обсуждавшихся в разделе 20.2, положительный заряд обоих ядер приводит к возникновению большого электростатического энергетического барьера для синтеза. Этот барьер можно преодолеть, если одна или обе частицы обладают достаточной кинетической энергией для преодоления электростатического отталкивания, позволяя двум ядрам сблизиться достаточно близко для возникновения реакции синтеза. Принцип аналогичен добавлению тепла для увеличения скорости химической реакции. Как показано на графике зависимости энергии связи ядра на нуклон от атомного номера на рис. 21.6.3, реакции синтеза наиболее экзотермичны для самого легкого элемента.Например, в типичной реакции синтеза два атома дейтерия объединяются с образованием гелия-3, процесс, известный как синтез дейтерия и дейтерия (синтез D-D):

[2_1^2textrm Hстрелка вправо ,_2^3textrm+,_0^1textrm n метка]

В другой реакции атом дейтерия и атом трития сливаются с образованием гелия-4 (рис. (PageIndex)), процесс, известный как синтез дейтерия и трития (синтез D-T): [_1^2textrm H+ ,_1^3textrm Hстрелка вправо ,_2^4textrm+,_0^1textrm n label] Однако для инициирования этих реакций требуется температура, сравнимая с температурой внутри Солнца (приблизительно 1,5·10 7 К). В настоящее время единственным доступным на Земле методом достижения такой температуры является детонация бомбы деления. Например, так называемая водородная бомба (или Н-бомба) на самом деле является дейтериево-тритиевой бомбой (ДТ-бомбой), в которой используется реакция ядерного деления для создания очень высоких температур, необходимых для инициирования синтеза твердого дейтерида лития. 6 LiD), который высвобождает нейтроны, которые затем реагируют с 6 Li, производя тритий. Реакция дейтерия-трития взрывоопасно высвобождает энергию. Пример 21.6.3 и соответствующее упражнение демонстрируют огромное количество энергии, производимой ядерными реакциями деления и синтеза. На самом деле термоядерные реакции являются источником энергии для всех звезд, в том числе и для нашего Солнца. Чтобы вычислить энергию, высвобождаемую при массовом разрушении как при делении, так и при синтезе ядер, мы используем уравнение Эйнштейна, которое приравнивает энергию и массу: [ E=mc^2 label ] с

• (m) — масса (килограммы),
• (с) — скорость света (метры/сек) и
• (E) — энергия (Джоули).

Пример (PageIndex): Деление под действием нейтронов

Рассчитайте количество энергии (в электронвольтах на атом и килоджоулях на моль), выделяемой при делении 235 U под действием нейтронов с образованием 144 Cs, 90 Rb и двух нейтронов:

(_<92>^textrm U+,_0^1textrm nстрелка вправо ,_^textrm+,_^textrm+2_0^1textrm n)

Данный: сбалансированная ядерная реакция

Попросил о: выделяемая энергия в электронвольтах на атом и килоджоулях на моль

Стратегия:

А Следуя методу, использованному в примере 21.6.1, рассчитайте изменение массы, сопровождающее реакцию. Преобразуйте это значение в изменение энергии в электронвольтах на атом.

Б Рассчитайте изменение массы на моль 235 U. Затем используйте уравнение 21.6.3 для расчета изменения энергии в килоджоулях на моль.

Решение

А Изменение массы, сопровождающее реакцию, выглядит следующим образом:

Изменение энергии в электронвольтах на атом выглядит следующим образом:

(Delta E=(-0,188386textrm< а.е.м.>)(931textrm< МэВ/а.е.м.>)=-175textrm< МэВ>)

Б Изменение массы на моль (_^textrm) составляет -0,188386 г = -1,88386 × 10 -4 кг, поэтому изменение энергии в килоджоулях на моль выглядит следующим образом:

Упражнение (PageIndex)

Рассчитайте количество энергии (в электронвольтах на атом и килоджоулях на моль), выделяемой при слиянии дейтерия и трития с образованием гелия-4 и нейтрона:

(_1^2textrm H+,_1^3textrm Hстрелка вправо ,_2^4textrm+,_0^1textrm п)

Решение

ΔE = −17,6 МэВ/атом = −1,697 × 10 9 кДж/моль

Рисунок (PageIndex): Энергия связи на нуклон обычных изотопов.

деление

Деление — это расщепление ядра с выделением свободных нейтронов и более легких ядер. Деление тяжелых элементов является сильно экзотермическим, при котором выделяется около 200 миллионов эВ по сравнению с сжиганием угля, которое дает всего несколько эВ. Количество энергии, высвобождаемой при ядерном делении, в миллионы раз эффективнее на единицу массы, чем у угля, учитывая, что только 0,1 процента исходных ядер преобразуется в энергию. В результате реакции высвобождаются дочерние ядра, энергия и частицы, такие как нейтроны. Высвобожденные частицы могут затем реагировать с другими радиоактивными материалами, что, в свою очередь, приводит к высвобождению дочернего ядра и большего количества частиц, и так далее. Уникальная особенность ядерных реакций деления заключается в том, что их можно использовать в цепных реакциях.Эта цепная реакция лежит в основе ядерного оружия. Одним из хорошо известных элементов, используемых в ядерном делении, является (ceU>), который при бомбардировке нейтроном превращается в (ceU>), который еще более нестабилен и распадается на дочерние ядра, такие как Криптон-92 и барий-141 и свободные нейтроны. Образующиеся продукты деления высокорадиоактивны и обычно подвергаются (beta^-) распаду.

Ядерное деление — это расщепление ядра атома на ядра более легких атомов, сопровождающееся выделением энергии под действием нейтронной бомбардировки. Первоначальная концепция этого расщепления ядер была открыта Энрико Феми в 1934 году, который считал трансурановые элементы могут быть получены путем бомбардировки урана нейтронами, потому что потеря бета-частиц увеличила бы атомный номер. Однако образующиеся продукты не коррелировали со свойствами элементов с более высокими атомными номерами, чем у урана (Ra, Ac, Th и Pa). Вместо этого они были радиоизотопами гораздо более легких элементов, таких как Sr и Ba. Количество массы, теряемой в процессе деления, эквивалентно энергии (3,20 times 10^; J).

Пример (PageIndex)

Рассмотрим связывание нейтронов

который высвобождает (3,20 times 10^; J) на (ceU>) атом.

Сколько энергии выделится, если (1,00; г) (ceU>) подвергнется делению?

Решение

Ясно, что деление небольшого количества атомов может производить огромное количество энергии в виде тепла и излучения (гамма-волны). Когда атом распадается, каждая из двух новых частиц содержит примерно половину нейтронов и протонов исходного ядра, а в некоторых случаях соотношение составляет 2:3.

Критическая масса

Взрыв бомбы происходит только в том случае, если цепная реакция превышает ее критическую массу. Критическая масса — это точка, в которой цепная реакция становится самоподдерживающейся. Если нейтроны теряются быстрее, чем образуются при делении, реакция не будет самоподдерживающейся.Скорость спонтанного ядерного деления — это вероятность в секунду того, что данный атом будет делиться спонтанно, то есть без какого-либо внешнего вмешательства. На атомных электростанциях деление ядер контролируется такой средой, как вода в ядерном реакторе. Вода действует как теплоноситель для охлаждения реактора и замедления частиц нейтронов. Таким образом, эмиссия и использование нейтронов контролируются. Если ядерная реакция не контролируется, например, из-за отсутствия охлаждающей воды, произойдет расплавление.

Слияние

Ядерный синтез — это соединение двух ядер с образованием более тяжелого ядра. За реакцией следует либо выделение, либо поглощение энергии. Слияние ядер с меньшей массой, чем железо, высвобождает энергию, в то время как слияние ядер тяжелее железа обычно поглощает энергию. Это явление известно как железный пик. Противоположное происходит с ядерным делением.

Сила энергии в реакции синтеза — это то, что движет энергией, высвобождаемой солнцем и многими звездами во Вселенной. Ядерный синтез применяется и в ядерном оружии, в частности, в водородной бомбе. Ядерный синтез — это процесс снабжения энергией, который происходит при чрезвычайно высоких температурах, например, в звездах, таких как Солнце, где более мелкие ядра соединяются, образуя более крупное ядро, процесс, который выделяет большое количество тепла и излучения. Когда этот процесс неконтролируемый, он может обеспечить почти неограниченные источники энергии, а неконтролируемая цепь обеспечивает основу для водородной связи, поскольку чаще всего происходит слияние водорода. Кроме того, этот термоядерный процесс подпитывается соединением атомов дейтерия с образованием атомов гелия. Например:

Однако управляемая термоядерная реакция еще не была полностью продемонстрирована из-за многих возникающих проблем, включая сложность принудительного размещения ядер дейтерия и трития в непосредственной близости, достижения достаточно высоких тепловых энергий и полной ионизации газов в плазму. Необходимая часть ядерного синтеза плазма, который представляет собой смесь атомных ядер и электронов, которые необходимы для инициирования самоподдерживающейся реакции, для которой требуется температура более 40 000 000 К. Почему требуется так много тепла для осуществления ядерного синтеза даже для легких элементов, таких как водород? Причина в том, что ядро ​​содержит протоны, и для того, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание протонов обоих атомов водорода, обоим ядрам водорода необходимо ускориться со сверхвысокой скоростью и подойти достаточно близко, чтобы ядерная сила начала действовать. слияние. В результате ядерного синтеза высвобождается больше энергии, чем требуется для начала синтеза, поэтому ΔG системы отрицательна, что означает, что реакция экзотермическая. И поскольку это экзотермический процесс, синтез легких элементов является самоподдерживающимся, учитывая, что энергии достаточно для начала синтеза.

Рисунок (PageIndex): Ученым еще предстоит найти метод управления термоядерными реакциями. С другой стороны, реакции деления используются на атомных электростанциях и ими можно управлять. Атомные бомбы и водородные бомбы являются примерами неконтролируемых ядерных реакций.

использованная литература

1. Петруччи, Харвуд, Херринг, Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения (9-е издание). Нью-Джерси: образование Пирсона, 2007.
2. Уильям Э. Стивенс. Ядерное деление и атомная энергия. Инман Пресс 2007.
3. Петруччи, Селедка, Мадура, Биссоннет. Общая химия: принципы и современные приложения (10-е издание). Нью-Джерси: образование Пирсона, 2011.
4. «Ядерное деление против ядерного синтеза — разница и сравнение | Diffen». Диффен — Сравните что угодно. Диффен. различать. Решать. Веб. 04 июня 2011. .

Авторы

• Йосеф Муртану

Fission and Fusion распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, автором, ремиксом и/или куратором является Йозеф Муртану.