Естествознание

На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям веществ. Например, в пробирке, где протекает реакция между цинком и соляной кислотой

Zn + 2HCl > ZnCl2 + H2

молекулы исходных веществ (цинка и соляной кислоты) перестраиваются, образуя два новых вещества (хлорид цинка и водород). Атомы же при химических реакциях не изменяются.

Познакомимся теперь с так называемыми ядерными реакциями, которые ведут к превращениям атомов. Первая ядерная реакция в лабораторных условиях была осуществлена Резерфордом в 1919 году. Она протекала по схеме:

...

Ядро атома азота взаимодействовало с ?-частицей. При этом сначала получилось ядро фтора. Это нестабильный, то есть быстро распадающийся промежуточный продукт реакции. В итоге получились ядра кислорода и водорода. Как видите, в ходе этой реакции произошло превращение ядер одних химических элементов в другие. Поэтому такие реакции и называются ядерными реакциями.

Ядерные реакции подчиняются определенным законам. Для их установления найдем суммы массовых и зарядовых чисел до и после реакции:

Массовое число Зарядовое число
До реакции 14 + 4 = 18 7 + 2 = 9
После реакции 17 + 1 = 18 8 + 1 = 9

Из таблицы видно, что суммы массовых чисел частиц до и после реакции равны. Это равенство справедливо и для зарядовых чисел. Итак, для этой и всех других ядерных реакций выполняются законы сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции равны.

Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют также и такие реакции, продуктами которых являются частицы, вызывающие сами реакции. Они называются цепными ядерными реакциями. Примером таких реакций служит реакция деления ядер урана-235. Рассмотрим ее.

Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра с образованием нескольких новых нейтронов. То есть причиной распада ядра является нейтрон, и эта же частица является и ее продуктом. Он попадет в другое ядро, и реакция будет продолжаться.

Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны быстро покинут зону реакции и не будут захвачены каким-либо другим ядром урана. Кроме того, нейтроны могут поглотиться ядрами атомов примесей. При этом они не будут делиться и, следовательно, не породят новые нейтроны.

Однако при достаточно большом количестве урана захват все же произойдет и ядро разделится. Такая минимальная масса называется критической. Для чистого урана-235 она составляет несколько десятков килограммов.

Цепная реакция протекает очень быстро, то есть представляет собой взрыв. Для применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, то есть регулировать количество нейтронов, вызывающих деление новых ядер. Такая реакция может протекать лишь в специальном устройстве - ядерном реакторе.