Ядролық реакцияларды (бөліну және синтез) талқылайтын мысал сұрақтар
Ядролық реакциялар ғылым мен техниканың, әсіресе энергетика саласының дамуындағы маңызды физикалық құбылыс болып табылады. Ядролық реакциялардың екі негізгі түрі бар: бөліну және синтез. Бұл мақалада біз ядролық реакцияларға, бөліну мен синтезге қатысты негізгі ұғымдарды, айырмашылықтарды және бірнеше мысал есептерді және олардың шешімдерін талқылаймыз.
Бөліну және синтез реакцияларына кіріспе
Бөліну - уран-235 немесе плутоний-239 сияқты үлкен, ауыр атом ядросының кішірек, жеңіл ядроларға бөліну процесі. Бұл процесс көп мөлшерде энергия бөледі, себебі бастапқы ядроның массасының бір бөлігі Альберт Эйнштейннің әйгілі теңдеуіне сәйкес энергияға айналады, \(E=mc^2\). Бөліну реакциялары атом электр станцияларында және ядролық қаруларда кеңінен қолданылады.
Керісінше, синтез - бұл жеңіл ядролардың бірігіп, ауыр ядроларды түзу процесі. Термоядролық синтез реакциясының ең көп таралған мысалы - күн мен басқа жұлдыздарда болатындай, сутегі ядроларының гелийге бірігуі. Термоядролық синтез бөлінуге қарағанда бірлік массаға көбірек энергия өндіреді және ғаламдағы негізгі энергия көзі болып табылады.
Үлгі сұрақтар және талқылау
Ядролық реакциялардың осы екі түрін жақсы түсіну үшін ядролық физика сабақтарында жиі кездесетін сұрақтардың бірнеше мысалын қарастырайық.
1-сұрақ: Уран-235 бөліну реакциясы
Ең көп таралған бөліну реакцияларының бірі - уран-235 нейтронды ұстап алып, барий-141 және криптон-92-ге бөлініп, тағы үш нейтрон бөлінуі. Егер уран-235 ядролық массасы 235,0439 u, барий-141 140,9144 u, ал криптон-92 91,9262 u болса, осы реакцияның теңдеуін жазып, бөлінетін энергия мөлшерін есептеңіз. Нейтронның массасы 1,0087 u.
Талқылау:
Ядролық реакцияның жүруін келесідей жазуға болады:
\[
\text{^{235}_{92}U} + \text{n} \rightarrow \text{^{141}_{56}Ba} + \text{^{92}_{36}Kr} + 3\text{n}
\]
Бөлінген энергияны есептеу үшін масса тапшылығын білуіміз керек, ол бастапқы масса мен көбейтінділердің массасы арасындағы айырмашылық болып табылады:
1. Бастапқы масса = Уран-235 массасы + Нейтрондар массасы = 235,0439 u + 1,0087 u = 236,0526 u
2. Көбейтіндінің массасы = Барий-141 массасы + Криптон-92 массасы + 3 Нейтрон массасы = 140,9144 u + 91,9262 u + 3(1,0087 u) = 235,8607 u
3. Масса тапшылығы (Δm) = Бастапқы масса – Өнім массасы = 236,0526 u – 235,8607 u = 0,1919 u
Бөлінген энергияны \(E=mc^2\) теңдеуін пайдаланып есептеуге болады, мұндағы 1 u 931.5 МэВ-қа тең:
\[
\Дельта E = \Дельта м \931.5 есе \, \text{MeV} = 0.1919 \931.5 есе \, \text{MeV} \шамамен 178.8 \, \text{MeV}
\]
Сонымен, бұл бөліну реакциясында бөлінетін энергия шамамен 178.8 МэВ құрайды.
2-сұрақ: Сутегінің балқу реакциясы
Термоядролық реакцияның мысалы ретінде екі дейтерий ядросының (\( \text{^2_1H} \)) гелий-3 ядросын (\( \text{^3_2He} \)) және бір нейтронды түзу реакциясын қарастырайық. Дейтерийдің массасы 2,0141 u, гелий-3 массасы 3,0160 u, ал нейтронның массасы 1,0087 u болса, бөлінетін энергияны есептеңіз.
Талқылау:
Ядролық реакцияның жүруін келесідей жазуға болады:
\[
\text{^2_1H} + \text{^2_1H} \rightarrow \text{^3_2He} + \text{n}
\]
Реакция кезінде пайда болатын масса тапшылығын есептеңіз:
1. Бастапқы масса = 2(2,0141 u) = 4,0282 u
2. Көбейтінді масса = Гелий-3 массасы + Нейтрон массасы = 3,0160 u + 1,0087 u = 4,0247 u
3. Масса тапшылығы (Δm) = Бастапқы масса – Өнім массасы = 4,0282 u – 4,0247 u = 0,0035 u
Бөлінген энергияны есептеуге болады:
\[
\Дельта E = \Дельта м \931.5 есе \, \text{MeV} = 0.0035 \931.5 есе \, \text{MeV} \шамамен 3.26 \, \text{MeV}
\]
Бұл синтез реакциясынан бөлінетін энергия шамамен 3.26 МэВ құрайды.
Салыстыру және қолдану
Осы екі мысалдан қорытынды жасауға болады: синтез реакциялары бөліну реакцияларынан бөлінетін энергияға қарағанда әр оқиға үшін сәл аз энергия өндірсе де, синтездің басты артықшылығы - оның көп мөлшерде, мысалы, синтез реакторында жүргізілген кездегі энергия әлеуеті әлдеқайда жоғары, бұл әлемдегі энергетикалық мәселелерді таза және қауіпсіз түрде шеше алады.
Қазіргі уақытта ядролық бөліну реакциялары атом электр станцияларында кеңінен қолданылады, бірақ олар қауіпсіздікке және одан туындайтын радиоактивті қалдықтарға байланысты қиындықтарға тап болады. Сонымен қатар, күн және жұлдыз энергиясының негізі болып табылатын синтез реакциялары әзірлену үстінде, Франциядағы ITER сияқты жобалар ядролық синтездің болашақ таза энергия көзі ретіндегі өміршеңдігін көрсетуге бағытталған.
Қорытынды
Ядролық реакцияларды, бөлінуді де, синтездеуді де түсіну технологиялық және ғылыми даму тұрғысынан өте маңызды. Сонымен қатар, бұл білім ғаламның қалай жұмыс істейтінін және оның тұрақты энергия көздерін қамтамасыз етудегі әлеуетті қолданылуын тереңірек түсінуге мүмкіндік береді. Ядролық реакцияларды зерттеуде жоғарыда талқыланғандай тәжірибелік мәселелер ядролық энергияның тұжырымдамалары мен қолданылуын тереңірек түсінуге көмектеседі.
