Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://www.iki.rssi.ru/hend/Dictionary/Nuclear%20reactions.htm
Дата изменения: Wed Jan 8 11:40:10 2003 Дата индексирования: Tue Oct 2 14:52:00 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: m 11 |
Ядерные реакции
Ядерными реакциями называются процессы превращения атомных ядер. Они могут происходить при самопроизвольном радиоактивном распаде или при взаимодействии ядер с элементарными частицами, а также между собой. Многие из них сопровождаются выделением энергии.
Во Вселенной основную роль играют ядерные реакции синтеза, которые являются источниками энергии звезд и причиной образования всех, кроме водорода, химических элементов во Вселенной (см. Звезд, эволюция). Они протекают как в недрах звезд, так в некоторых случаях (см. Барстеры) и при аккреции вещества на их поверхности.
Реакции деления атомных ядер происходят в недрах планет со значительно меньшим выделением энергии и влияют на соотношение химических веществ, являющихся малыми примесями планетных атмосфер и литосфер.
Превращение водорода в гелий, основной источник энергии Солнца и звезд, происходит путем двух различных циклов термоядерных реакций. Далее - левый индекс у обозначения химического элемента обозначает величину его электрического заряда, правый индекс - его атомный вес.
Протон-протонная реакция - основная цепочка.
Взаимодействующие частицы |
Частицы - продукты реакции |
Энергия - продукт реакции |
Характерное время прохождения реакции (при температуре 20 миллионов градусов) |
1H1 + 1H1 |
1D2 + позитрон + нейтрино |
гамма квант - после аннигиляции позитрона |
Несколько десятков миллиардов лет |
1D2 + 1H1 |
2He3 |
гамма квант |
Несколько секунд |
2He3 + 2He3 |
2He4 + 21H1 |
|
Несколько миллионов лет |
Углеродный цикл (основная цепочка).
Взаимодействующие частицы |
Частицы - продукты реакции |
Энергия - продукт реакции |
Характерное время прохождения реакции (при температуре 20 миллионов градусов) |
6C12 + 1H1 |
7N13 |
Гамма квант |
2,5 миллиона лет |
7N13 |
6C13 + позитрон |
гамма квант - после аннигиляции позитрона |
10 минут |
6C13 + 1H1 |
7N14 |
Гамма квант |
50 тысяч лет |
7N14+ 1H1 |
8O15 |
Гамма квант |
4 миллиона лет |
8O15 |
7N15 + позитрон |
гамма квант - после аннигиляции позитрона |
2,1 минуты |
7N15 + 1H1 |
6C12 + 2He4 |
|
10 минут |
Во второй цепочке реакций углерод восстанавливается, т.е. является катализатором.
Как видно, общее время превращения четырех ядер водорода в одно ядро гелия при цепочке реакций углеродного цикла составляет 6,5 миллионов лет, а при цепочке протон-протонной реакции - несколько десятков миллиардов лет. Однако столь длительное время компенсируется огромным количеством атомных ядер, вовлеченных в реакции одновременно. При температуре менее 17 миллионов градусов и массах звезд порядка массы Солнца основной цепочкой реакций является протон-протонная, при более высоких температурах - углеродный цикл.
После истощения запасов водорода и увеличения температуры до 200-300 миллионов градусов начинаются реакции синтеза углерода и кислорода из гелия:
4He + 4He + 4He = 12C (возбужденное ядро) = 12C + энергия;
12C + 4He = 16O + энергия.
В некоторых случаях возможен синтез небольших количеств неона и магния:
16O + 4He = 20Ne + энергия;
20Ne + 4He = 24Mg + энергия.
Интенсивности этих реакций в большой мере зависят от массы звезды. Однако 'выгорание' гелия происходит за время, меньшее миллиона лет, т.е. гораздо быстрее, чем 'выгорание' водорода.
Вслед за этим, при температурах порядка 500-700 миллионов градусов, начинаются реакция 'горения' углерода:
12C + 12C = 24Mg + энергия;
12C + 12C = 23Na + протон;
12C + 12C = 23Mg + нейтрон.
Затем, при температурах порядка 2 миллиардов градусов, начинаются реакции 'горения кислорода':
16O + 16O = 32S (возбужденное ядро) = 28Si + альфа частица + энергия;
16O + 16O = 32S (возбужденное ядро) = 31P + протон + энергия;
16O + 16O = 32S (возбужденное ядро) = 31S + нейтрон + энергия.
Кроме того, синтезируется некоторое количество 30Si, 32S, 36Ar.
После окончания горения кислорода образовавшиеся атомные ядра подвергаются все усиливающейся бомбардировке гамма-фотонами, от них отщепляются протоны, нейтроны и альфа-частицы. В условиях все повышающейся температуры - от 3 до 5 миллиардов градусов - они в разных сочетаниях присоединяются к ядрам и происходит образование всего набора атомных ядер вплоть до железа и никеля.
Механизмы синтеза более тяжелых, чем железо, химических элементов основаны на нейтронных захватах с последующими бета-распадами.
Схема этого процесса выглядит следующим образом. Нейтроны, которым не препятствуют кулоновские силы, проникают в ядра атомов и связываются там внутриядерными полями (см. Поле физическое, сильных взаимодействий). В результате каждого захвата нейтрона образуется все более тяжелый изотоп исходного химического элемента. При бета-распаде - испускании одного электрона из ядра - количество протонов в ядре увеличивается на единицу, т.е. образуется ядро следующего по номеру химического элемента.
Активный 'р - процесс' (здесь 'р' от английского 'r' - rapid - быстрый) образования более тяжелых, чем железо, химических элементов происходит при взрывах сверхновых звезд т.е. в условиях, при которых потоки свободных нейтронов наиболее интенсивны.
Менее активный 'с - процесс' (здесь 'с' от английского 's' - slow - медленный) образования этих элементов протекает в недрах звезды в тот период ее эволюции, когда значительная часть ее водорода уже синтезирована в гелий. Причем, в это время в недрах звезды уже должен начаться этап синтеза углерода и кислорода из гелия, а хотя во внешней части зоны ядерных реакций еще догорает водород.