Синтез ядер
В ядерной физике, ядерный синтез является реакцией, в которой два или более атомных ядра сталкиваются с очень большой скоростью и объединяются, формируя новое ядро.
Масса этого нового ядра несколько меньше, чем сумма его составляющих, на величину, известную как "энергия". Энергия связи высвобождается в виде фотонов (энергии). Это энергия, которая выделяется с помощью процесса слияния.
Ядерный синтез легких элементов высвобождает энергию, которая вызывает свечение звезд и взрыв водородной бомбы. Ядерный синтез более тяжелых элементов (с поглощением энергии) происходит в экстремальных условиях высокой энергии или с взрывом сверхновой. Ядерный синтез в звездах и сверхновых является основным процессом, который создает новые природные элементы. Эта реакция используется для получения энергии ядерного синтеза.
Энергии, выпущенные в большинстве ядерных реакций значительно выше, чем энергии химических реакций, так как энергия связи, которая связывает нуклоны в ядре значительно выше, чем энергия, которая связывает электроны вокруг ядра атомов. Например, энергия ионизации ядер электронов, полученных путем добавления атомов водорода составляет $13,6$ эВ, меньше одной миллионной $17$ МэВ энергии, высвобождаемой в реакции DT (дейтерий - тритий).
Термоядерная реакция
Если ядра является частью плазмы вблизи состояния теплового равновесия, а реакция синтеза происходит за счет кинетической энергии теплового движения ионов плазмы, то такая реакция синтеза называется термоядерным синтезом. Поскольку температура согласно кинетической теории является мерой средней кинетической энергии частиц, нагревая плазму можно предоставить ядрам энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера.
Рисунок 1. Дейтерий-тритиевая реакция синтеза считается перспективной как источник термоядерной энергии
Например, в реакции синтеза дейтерия ${}^2_1H$ и трития ${}^3_1H$
Способ синтеза гелия из водорода происходит несколько процессов:
Этот процесс является следствием слабого взаимодействия (обмена бозонов). Во время синтеза следующих бета-минус распадов:
Эта реакция, как следствие слабого взаимодействия происходит очень медленно. В результате этой реакции, и в результате ядерных взаимодействий образуется дейтерий:
Эта реакция происходит крайне медленно. Последующая реакция:
Детектирование ядерных излучений
Детектор частиц - устройство, которое используется в ядерной физике и физике элементарных частиц для определения факта пролета частицы, ее идентификации и измерения ее характеристик - энергии, массы, заряда, спина и тому подобное.
Детекторы, предназначенные только для определения факта пролета частицы, часто называются счетчиками. Детекторы, предназначенные для измерения дозы поглощённой радиации называются дозиметрами. Детекторы, способные измерять энергию частицы называются калориметрами.
Существует большое разнообразие детекторов частиц в зависимости от типа частиц, диапазона энергии, назначения, строения и принципа действия. Например, для регистрации рождения электрон-позитронной пары необходимо одновременно зафиксировать как электрон, так и позитрон, чтобы выделить этот процесс случайного шума, когда тот или иной отдельный детектор срабатывает в результате случайного пролета частицы космического излучения. В современных экспериментах в физике высоких энергий, которые проводятся на мощных коллайдерах при столкновении ускоренных частиц может образоваться дождь из сотен частиц различной природы, требует применения сложнейшей системы детектирования и идентификации.
При проведении термоядерной реакции синтеза ядра гелия из ядер изотопов водорода -- дейтерия и трития -- по схеме
\[{}^2_1H+{}^3_1H\to {}^4_2He+{}^1_0n\]освобождается энергия $17,6$ МэВ. Какая энергия освободится при синтезе $1$ г гелия? Какое количество каменного угля потребовалось бы сжечь для получения такой же энергии?
Решение:
Для определения энергии, которая выделится при синтезе $1$ г гелия, нужно умножить выход ядерной реакции $\Delta E$ на число осуществленных реакций, равное числу атомов гелия $N$ в 1 г:
\[E=\Delta EN\]Число атомов гелия $N$ равно
\[N=\frac{mN_A}{M}\] \[N=\frac{{10}^{-3}\cdot 6\cdot {10}^{23}}{4\cdot {10}^{-3}}=1,5\cdot {10}^{23}\]Следовательно, для энергии $E$ получим:
\[E=2,8\cdot {10}^{-12}\cdot 1,5\cdot {10}^{23}Дж\] \[E=4,5\cdot {10}^{11}Дж\]Из условия $Q=E$ можно записать:
\[Q=qm_2\] \[m_2=\frac{Q}{q}=\frac{E}{q}\]Исходя из выражения масса каменного угля, при сжигании которого освобождается столько же энергии, сколько и при синтезе $1$ г гелия, равна
\[m_2=\frac{4,2\cdot {10}^{11}Дж}{2,7\cdot {10}^7Дж\cdot {кг}^{-1}}=1,56\cdot {10}^4кг\]Ответ: $E=4,5\cdot {10}^{11}Дж$,$\ \ m_2=1,56\cdot {10}^4кг$.
