Branduolinė reakcija

Kulautuvos Vidurinė Mokykla Referatas Branduoline reakcija Parengė: Lauryna Šidlauskaitė 8kl. 2002 Įvadas Branduolinė energija yra svarbus šiuolaikinio gyvenimo veiksnys: branduoliniai ginklai ne tik susiję su politika, bet ir kaip bauginanti šmėkla persekioja kiekvieną žmogų (1 pavyzdys). 1 pavyzdys Branduolinio sprogimo “grybas” persekioja mūsų civilizaciją. Nors branduolinio ginklo platinimą riboja tarptautiniai susitarimai, vis didėja skaičius šalių, kurios galėtų gaminti tą ginklą. Ir kai žmonija vis didėjantį energijos poreikį tenkina plėtodami branduolinę energetiką, radioktyviomis atliekomis vis labiau teršiama mūsų planeta. Iš tikro byvenimas Žemėje visada priklausė nuo branduolinės energijos: branduolių sintezė lemia saulės energiją, radioaktyvieji procesai Žemės gelmėse įkaitina jos skystą branduolį ir daro įtaką Žemės plutos blokų judėjimui. Branduolinė energija išsiskiria branduolių radioktyviojo skilimo, dalijimosi ir sintezės (jungimosi) metu, kitaip tariant – vykstant branduolinei reakcijai. Kas yra branduolinė reakcija? Branduolinė reakcija, tai atomų branduolių, sąveikaujančių su elementariosiomis dalelėmis arba tarp savęs, kitimas. Paprastai joje dalyvauja 2 pirminiai branduoliai ir reakcijos metu susidaro 2 antriniai branduoliai. Lobaratorijoje branduolinė reakcija sukeliama, lengvesniais branduoliais apšaudant sunkesnius, esančius taikinyje. Reakcija žymima panašiai kaip ir cheminė: kairėje rašomos reaguojančios dalelės (branduoliai), dešinėje – reakcijos produktai, Pvz., aliuminio atomo branduolio (masės skaičius 27, atominis skaičius 13) ir helio atomo branduolio (masės skaičius 4, atominis skaičius 2) reakcija, kurioje susidaro vandenilio atomo branduolys ir sicilio atomo branduolys, užrašoma formule: + + , arba 27Al (, ) 30Si; čia  - branduolį kliudžiusi  dalelė (),  - spinduliuojamas protonas (). Branduolinės reakcijos klasifikuojamos pagal jas sukeliančių dalelių rūšį, energiją, juose dalyvaujančių branduolių rūšį ir branduolinių virsmų pobūdį. Branduolines reakcijas sukelia neutronai, elektringosios dalelės (protonai, deuteronai,  dalelės, daugiakrūviai sunkieji jonai, elektronai, mezonai) ir  kvantai. Pagal branduolinės reakcijos sukeliančių dalelių energiją skiriamos mažos, vidutinės ir didelės energijos reakcijos. Mažos energijos (100 MeV) dalelių reakcijas sikelia greitieji neutronai; joms vykstant, branduoliai suskaidomi į nukleonus, atsiranda t.p. naujų elementariųjų dalelių (mezonų, hiperonų) . Skiriamos branduolinės reakcijos, kuriose dalyvauja lengvieji branduoliai (masės skaičius A100). Pagal branduolinių virsmų pobūdį skiriamas elastinis ir neelastinis išsklaidymas, kuloninis sužadinimas, atsikėlimo reakcija, radiacinis pagavimas (branduolys, pagavęs lėtąjį neutroną, emituoja  kvantą), branduolio dalijimąsis (savaiminis arba dirbtinis – sukeltas branduolį kliudančių neutronų ir  kvantų absorbcijos), Branduolių sintezė (sunkesniųjų branduolių gavimas iš langvesniųjų), branduolinis fotoefektas (branduolys, absorbavęs  kvantą, emituoja neutroną). Kai branduolio kryptimi lekiančios dalelės energija mažesnė už branduolio elektrostatinį potencialinį barjerą, dalelė jo nenugali ir gali branduolį tik sužadinti. Atskilimo reakcijos būdingos deuteronams. Kai deiterono energija maža, jo protonas negali įveikti Kulono stūmos jėgų potencialinio barjero, ir branduolys pritraukia (pagauna) tik neutroną. Iš didesnės energijos deuteronų gali būti atskeliami ir protonai, ir neutronai. Reakcija vyksta lyg ir branduolio paviršiuje. Branduolinėje reakcijoje dalyvaujančių dalelių ir dalelių, susidariusių po reakcijos, masių sumų skirtumas, padaugintas iš šviesos greičio vakuume kvadrato, sąlygiškai vadinamas šiluminiu efektu. Jei šiluminis efektas teigiamas (energija spinduliuojama), reakcija yra egzoterminė, jei neigiamas (energija absorbuojama) – endoterminė. Branduolinėje reakcijoje galioja sąveikaujančių dalelių ir branduolių masės, el. krūvio, energijos, impulso, sukinio tvermės dėsniai. Reakcijoje dalyvaujančių dalelių sąveikos tikimybė išreiškiama efektyviuoju skerspjūviu . Jei 1 cm2 skerspjūvio taikinio stilpelyje yra n branduolių, o per jį praeinantis dalelių srautas N0 sukelia N branduolinių reakcijų, tai santykis  n reiškia tikimybę , kad lekianti per medžiagą dalelė sukelia branduolinę reakciją.  turi ploto dimensiją (m2) ir vadinama branduolinės reakcijos skerspjūviu. Branduolinės reakcijos skerspjūviai yra 10-28 m2 eilės, matuojami barnais. Branduolinės reakcijos išeiga lygi branduolinių virsmų taikinyje ir apšaudančios dalelių skaičiaus santykiui. Branduolinė reakcija yra sudėtingas atomo branduolių kitimas (tiksliai teoriškai neaprašytas), kurio eiga aproksimuojama įvairiais reakcijų modeliais. Dažniausiai naudojamas N. Boro (Danija) 1936 sukurtas sudėtinio, arba tarpinio, branduolio įvaizdis. Tariama, kad reakcija vyksta 2 stadijomis: iš pradžių susidaro tarpinis branduolys, po to jis skyla. Susidaręs tarpinis branduolys egzistuoja kaip kvazistacionari sistema palyginti ilgą laiką (10-14s), žymiai didesnį už 10-21-10-22s (laikas, per kurį greitasis 10 MeV energijos neutronas praskrieja branduolio radiusą). Jei tarpinio branduolio energijos lygmenų pločiai mažesni už atstumą tarp jų, tai, esant fiksuotai apšaudančių dalelių energijai, tarpinis branduolys gali susidaryti tik tada, kai dalelės energija atitinka tarpinio branduolio lygmenų plotį l’. Lygmenų plotis l’ apskaičiuojamas iš lygties El’, žinant energijos neapibrėžtumą E, atitinkantį tarpinio branduolio gyvavimo trukmę ; čia  - Planko konstanta h, padalinta iš 2. Šiuo atveju branduolinės reakcijos skerspjūvio priklausomybė nuo energijos turi rezonansinį pobūdį. Įvairių reakcijų, tariant, kad jos vyksta per tą patį tarpinį branduolį branduolinės reakcijos skerspjūviai nustatomi eksperimantais. Jei tarpinio branduolio sužadinimo energija didelė, energijos lygmenys iš dalies vienas kitą dengia ir branduolinė reakcija gali vykti, nepriklausomai nuo apšaudančių dalelių energijos. Šiuo atveju t.p. laikomasi tarpinio branduolio koncepcijos ir sakoma, kad į branduolį patekusi dalelė greitai išdalija savo energiją visiems branduolio nukleonams. Branduolys tampa stipriai sužadintas, tačiau tam tikrą laiką nė vienas nukleonas dar neturi tiek energijos, kad išlėktų iš branduolio. Vienas nukleonų, atsitiktinai įgijęs pakankamai didelę energiją, išlekia iš branduolio, tarsi išgaruoja. Toks branduolinės reakcijos modelis vadinamas išgaravimo, arba statistiniu modeliu. Kai energijadidelė, nukleonų sąveika aprašoma optiniu branduolio modeliu. Čia branduolys traktuojamas kaip ištisinė medžiaga, sugerianti ir laužianti lekiančių dalelių de Broilio bangas. Jei branduolinė reakcija vyksta greitai, t.y. jos trukmė yra artima laikui, reikalingam dalelei pralėkti per branduolį (10-21 – 10-22 s), tai ji vadinama tiesiogine reakcija. Tiesioginėje reakcijoje dalelė spėja kliudyti tik tai 1 (kai kada 2 ar 3) nukleoną ir tiesiogiai perduoda jam impulsą. Tiesioginiams procesams būdinga tai, kad nukleonai iš branduolio išlekia tiesiai pirmyn, atlekiančios dalelės impulso kryptimi ir turi energiją, artimą maksimaliai galimai. Tiesioginiai procesai vyksta su visais branduoliais, veikiant bet kokioms dalelėms. Išlėkti iš branduolio gali pavieniai nukleonai, nukleonų poros, deuteronai, helio branduoliai ( dalelės) ir sudėtingesni branduoliai: pastarieji vadinami fragmentais, o jų išlėkimas iš branduolio – fragmentacija, arba nuskilimu. Branduolinių reakcijų tyrimais susekama branduolio struktūra. Branduolinėms reakcijoms naudojamasi radioaktyviųjų izotopų gamyboje ir branduolinėje energetikoje. Branduolinių reakcijų tyrimų pradžia yra E. Rezerfordo (Anglija) 1906 atlikti elastinio  dalelių sklaidymo ore tyrimai,kurie įgalino keisti branduolį, veikiant jį  dalelėms. 1919 buvo atlikta pirmoji tokio tipo branduolinė reakcija: ++. 1930 V. Bote ir L. Ž. Bekeris (Vokietija), tirdami branduolinę reakciją, kurią sukelia  dalelės, veikdamos berilį, nustatė, kad iš jo išlekia ne protonai, o kažkokios kitos dalelės. 1932 Dž. Čadvikas (Anglija) greitintuvu pirmąkart dirbtinai pagreitino protonus ir jais suskaldė branduolį. 1938 O. Hanas ir F. Štrasmanas (Vokietija) nustatė, kad neutronai dalija urano branduolius ir tie branduoliai išspinduliuoja antrinius neutronus, o tai sudaro galimybę gauti grandininę egzoterminę reakciją. 1942 sukūrus branduolinius reaktorius, pavyko gauti intensyvius neutronų srautus. Patobulintais greitintuvais tapo galima greitinti elektronus, deuteronus,  daleles. Sunkiųjų elementų jonus, sukelti bei tirti įvairių tipų branduolines reakcijas. Branduolinės energijos gavimas Pirmą kartą didelis branduolinės energijos kiekis buvo gautas, vykstant grandininei urano branduolių dalijimosi reakcijai (2 pavyzdys). Kai urano izotopas 235U sugeria neutroną, urano branduolys suyra į dvi skeveldras, iš kurių išlekia dar 2 – 3 neutronai. Jei kitas 235U branduolys sugeria vidutiniškai 2 neutronus, procesas eksponentiškai intensyvėja ir tampa nevaldomas. Branduolinę energiją galima paversti į šilumos ar elektros energiją. 2 pavyzdys 235U branduolys sugeria lėtajį neytroną (1) ir dalijasi; dalijantis išsiskiria energija ir susidaro keletas neutronų (2). Jei vienas jų vėl susiduria su 235U branduoliu (3), gali kiltigrandininė reakcija; susidariusius neutronus gali sugerti kiti branduoliai (4) arba 235U branduolys (5). Termo(so) branduolinė reakcija "Termoso dydžio įrenginyje mums pavykti sukelti reakciją, kuri kaitina žvaigždes", tvirtina viena fizikų grupė. "Pakartojome šį eksperimentą, bet reakcijos nebuvo", sako kita. Kas teisus? Atsakymas į šį klausimą vertas Nobelio premijos. Kol kas Žemėje sugebame sukelti atomų branduolių jungimosi reakciją tiktai sprogdindami vandenilines bombas. Vadinamosios valdomos termobranduolinės reakcijos atradimas ir atitinkamo reaktoriaus sukūrimas galėtų išspręsti visas žmonijos energetines problemas. Metų metais mokslininkai stengiasi sulaikyti branduolius milžiniškuose įrenginiuose su karšta plazma, dar vadinamuose tokamakais. Tie tyrimai kainuoja šimtus milijonų dolerių, bet iki šiol vis dar buvo nesėkmingi. Todėl ir žinia apie termobranduolinę reakciją termoso dydžio inde turėjo šokiruoti pasaulį. Vietoj to… Straipsnis apie eksperimentą pasirodys šiandieniniame prestižinio "Science" žurnalo numeryje. Jo autoriai yra profesorius Rusi Taleyarkhan iš Oak Ridge Nacionalinės laboratorijos ir profesorius Richardas t. Lahey iš Rensseleario politechnikos instituto - abi garsios mokslo įstaigos. Jie tvirtina sugebėję Žemėje įžiebti Saulę. Kaip? Labai parastai. Nedidelį indą jie pripildė skysčiu, kuris nuo acetono skiriasi tiek, kiek sunkusis vanduo skiriasi nuo įprastinio. Visi skystyje buvę vandenilio atomai pakeisti sunkesniu jo izotopu deuteriu. Po to šis "sunkusis" acetonas buvo apspinduliuotas ultragarsu. Garso bangos sukelia aplinkos, kuria jos sklinda, sutankėjimą ir išretėjimą. Skystyje yra smulkių dujų burbuliukų. Ultragarsas juos suspaudinėdavo ir išplėsdavo. Toks suspaudimas buvo labai greitas ir stiprus. Tiek stiprus, kad dujas paversdavo plazma, kurios temperatūra siekdavo milijonus laipsnių. Tokiose temperatūrose deuterio atomai jungiasi sudarydami tričio (dar sunkesnio vandenilio izotopo) atomus. Taip teigia Taleyarkhan ir Lahey. Jų hipotezės patvirtinimui skystyje reiktų rasti tričio bei stebėti laisvus neutronus, kurie atsiranda termobranduolinės reakcijos metu. "Efektas gali būti labai įdomus moksliniu požiūriu, bet vargu ar galėtų leisti sukurti naują energijos šaltinį", sako Oal Ridge laboratorijos direktorius Lee Riedingeris. Jis nuo pat pradžių žiūrėjo į rezultatus skeptiškai. Dar pernai jis paprašė dviejų patyrusių branduolio fizikų pakartoti kolegų eksperimentą. Danui Shapiro ir Michaeliui Saltmarchui buvo duotas toks pats įrenginys ir daug geresnis neutronų detektorius. Nepaisant geriausių norų, jiems nepavyko aptikti sunkiajame acetone jokios neutronų emisijos. Todėl Saltmarshas mano, kad jo kolegos suklydo ir matavo kito šaltinio spinduliuojamus neutronus. Nepaisant to, kad eksperimento nepavyko pakartoti, "Science" nutarė skelbti straipsnį. Tai suerzino daugelį fizikų. Jiems tai per daug primena "šaltosios termobranduolinės reakcijos" istoriją iš 1989 m. kovo, kada du Utah universiteto fizikai apsiskelbė "uždegę" termobranduolinę reakciją kambario temperatūroje. Iki šiol niekam nepavyko pakartoti jų rezultatų, bet Ponsas ir Fleishmanas vis dar dirba ir gauna savo tyrimams pinigus. JAV jie netgi turi savo šalininkų grupę, leidžiančių žurnalą "Infinite Energy" (begalinė energija). Termobranduolinei reakcijai reikia labai didelių temperatūrų, galinčių siekti net 10 mln. laipsnių. Ar jas galima pasiekti kaitinant skystį ultragarsu? Skystį ar dujas apspinduliavus ultragarsu atsiranda sonoliuminescencijos reiškinys. Tas reiškinys buvo atrastas visai atsitiktinai. 1933 m. du prancūzų mokslininkai ryškino fotojuostelę. Į indą su ryškalu jie įdėjo ultragarso šaltinį, turėjusį, jų nuomone, paspartinti chemines reakcijas. Dideliam jų nustebimui išryškintoji juostelė mirgėjo tūkstančiais dėmelių. 50 metų apie sonoliuminescenciją nieko nesigirdėjo. 1989 m. Felipe Gaitanas sugebėjo cilindro formos inde su vandeniu sugauti ir laikyti vieną žmogaus plauko storio oro burbuliuką. Burbuliukas augo ir traukėsi ultragarso dažniu ir švytėjo mėlyna šviesa, kurią pavyko pakankamai tiksliai išmatuoti. Buvo nustatyta, kad labai trumpam (12 - 50 pikosekundžių) burbuliuko temperatūra pakildavo iki 10 tūkst. laipsnių. Moksliniuose žurnaluose po ėmė rodytis įvairiausios hipotezės, kuriose tvirtinta, kad burbuliuko centre temperatūra gali siekti ir milijonus laipsnių, o pati sonoliuminescencija gali tikti termobranduolinėms reakcijoms užkurti. Bet iki šiol niekas to nesugebėjo įrodyti. Naudota literatūra: 1. “Tarybinė Lietuvos enciklopedija”; 2. “Mokslas ir Visata”. Interneto svetainė: 1. http://www.rtn.lt/mi/0203/termo.html

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!