Деление ядер и ядерная реакция

В центре каждого атома находится ядро. Это ядро атома и составляет более 99% массы атома. Он состоит из нейтронов и протонов, которые удерживаются вместе сильной ядерной силой. Более тяжелые атомы состоят из более тяжелых ядер, то есть в них больше протонов и нейтронов. Эти крошечные компоненты ответственны за некоторые из самых энергичных (и разрушительных) реакций, которые происходят на Земле. С тех пор, как люди узнали, что ядра можно расщеплять или сплавлять, нам было любопытно понять энергии, участвующие в этих реакциях. В этой статье мы обсудим расщепление и объединение ядер, также известные как деление и слияние соответственно.

Значение деления и слияния

Меньшие атомы иногда могут объединяться, образуя более тяжелые атомы, когда их ядра сталкиваются и сливаются. Этот процесс известен как ядерный синтез, во время которого выделяется энергия. Более тяжелые ядра также могут расщепляться в процессе, называемом ядерным делением, при котором образуются ядра меньшего размера и выделяется некоторая энергия.

Реакции ядерного деления

Некоторые тяжелые атомы нестабильны и поддерживают стабильность, испуская радиоактивные частицы, такие как альфа- и бета-частицы. Этот процесс происходит спонтанно и случайным образом. Большие ядра также могут стать более стабильными, расщепляясь на два меньших ядра. Этот процесс известен как ядерное деление и не является случайным. Для расщепления требуется, чтобы нейтрон столкнулся с тяжелым ядром. После того, как нейтрон сталкивается с ядром, это приводит к тому, что ядро становится нестабильным. Затем ядро распадается на два меньших ядра, похожих по размеру, и в процессе выделяет два или три нейтрона вместе с большим количеством энергии в форме гамма-лучей. Меньшие ядра, известные как продукты деления, обычно также нестабильны и могут выделять альфа- или бета-частицы для достижения стабильности. Часть выделяющейся энергии находится в форме кинетической энергии продуктов деления. Приведенный ниже пример показывает, как происходит деление.

Нейтрон попадает в стабильное ядро урана-235, делая его на мгновение нестабильным. Затем он распадается на барий-139 и криптон-95, которые являются меньшими ядрами. В процессе и энергии высвобождаются два нейтрона(это эквивалентно). Ядра бария и криптона могут подвергаться альфа- и бета-распаду и образовывать ядра еще меньшего размера. Продукты деления (барий, криптон и ядра) обладают некоторой кинетической энергией после того, как происходит деление.

Диаграмма ядерного деления

Движущиеся нейтроны ответственны за возникновение деления, а продукты деления включают нейтроны с кинетической энергией. Эти нейтроны, которые образуются, затем могут быть использованы для дальнейшего ядерного деления. Этот процесс называется цепной ядерной реакцией. В приведенном выше примере показано, что уран-235 подвергается делению с образованием бария-139 и криптона-95 и двух нейтронов. Эти два нейтрона могут вызвать деление еще двух ядер урана с образованием четырех нейтронов, которые могут вызвать четыре деления. Следовательно, количество делений будет расти экспоненциально со временем. Это называется неконтролируемой цепной реакцией и может высвободить огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Именно этот принцип использовался для создания атомной бомбы. Даже небольшое количество урана, подвергающегося делению, может уничтожить целый город.

Если бы мы могли контролировать количество нейтронов-продуктов, используемых для инициирования дальнейших делений, тогда мы могли бы контролировать общее количество выделяемой энергии. Если для деления одного ядра используется только один нейтрон-продукт, то цепная реакция контролируется. Так создаются ядерные реакторы деления с использованием урана.

Различия между делением и слиянием/Сходства между делением и слиянием

Деление - это расщепление ядер, а слияние - это слияние ядер. / Деление и слияние - это ядерные процессы, которые включают взаимодействие атомных ядер.
В делении обычно участвуют большие ядра, тогда как в слиянии участвуют ядра меньшего размера. / Реакции деления и синтеза выделяют энергию.
При делении образуются радиоактивные продукты, а при синтезе - нет. / Деление и синтез могут использоваться в качестве источников энергии.

Деление и слияние - ключевые выводы

Ядерное деление происходит, когда большие нестабильные ядра расщепляются на два меньших ядра (продукты деления).
Два или три нейтрона также образуются при делении ядер вместе со значительным количеством энергии.
Процесс инициируется, когда движущийся нейтрон сталкивается с ядром, делая его нестабильным.
Продукты деления также могут быть нестабильными и распадаться с выделением альфа- или бета-частиц.
Продукты деления получают кинетическую энергию после реакции.
Высвобожденные нейтроны могут инициировать дальнейшие деления в процессе, называемом цепной реакцией.
Неконтролируемые цепные реакции инициируют реакции деления с экспоненциальной скоростью.
Контролируемые цепные реакции происходят, когда реакция деления инициирует только одну другую реакцию.
Атомные электростанции используют контролируемые реакции деления для выработки электроэнергии.
Борные управляющие стержни используются в ядерных реакторах деления для контроля скорости реакций деления.
Ядерные уравнения могут быть использованы для описания реакций деления.
Ядерный синтез происходит, когда легкие ядра сливаются, образуя одно более тяжелое ядро.
Для инициирования синтеза требуется значительное количество энергии.
Слияние происходит в звездах, когда водород превращается в гелий из-за высоких температур и давлений.
Термоядерный синтез является кандидатом для производства чистой энергии.