ВУЗ:
Составители:
58
§ 26. Реакция синтеза атомных ядер.
Проблема управляемых термоядерных реакций.
Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях
деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных
ядер. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе
от ядер тяжелого водорода (
Н
2
1
, Н
3
1
) к литию Li
6
3
и к гелию Не
4
2
,
т.е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровож-
даться выделением большого количества энергии. В качестве приме-
ров можно привести следующие реакции синтеза:
НННН
1
1
3
1
2
1
2
1
+→+
(Q=4,0 МэВ);
nНеНН
1
0
3
2
2
1
2
1
+→+ (Q=3,3 МэВ);
nНеНН
1
0
4
2
2
1
3
1
+→+ (Q=17,6 МэВ);
НеНеНLi
4
2
4
2
2
1
6
3
+→+
(Q=22,4 МэВ),
где Q – энерговыделение.
Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо
преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при доста-
точно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из
легкого изотопа водорода происходит при температурах
8
10≈Т К, а
для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития –
по схеме
nНеНН
1
0
4
2
2
1
3
1
+→+ требуется нагревание примерно до
7
105 ⋅ К.
Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, проис-
ходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерны-
ми реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энер-
гии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из
дейтерия и трития выделяется энергия
11
102,4 ⋅ Дж. Такая энергия вы-
деляется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.
Необходимые условия для синтеза ядер гелия имеются в недрах
Солнца и других звезд. Термоядерные реакции являются одним из
источников энергии этих светил. На Земле термоядерная реакция
синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.
В 1953 г. в нашей стране, через полгода – в США
были произведены
испытания водородной бомбы, где взрывчатым веществом служила
смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве кото-
рой возникает необходимая для протекания реакции температура. В
этом случае реакция термоядерного синтеза является неуправляемой.
19
С увеличением n линии серии сближаются; волновые числа
2
2
'
R
v =
(при n→∞), )
3
1
2
1
('
22
−⋅= Rv определяют границы спек-
тральной серии.
Наряду с серией Бальмера в спектре атомарного водорода были
обнаружены другие серии, волновые числа которых можно предста-
вить аналогичными формулами.
В ультрафиолетовой области серия Лаймана:
)
1
1
1
('
22
n
Rv −⋅=
n = 2;3… (8.4)
В инфракрасной области:
)
1
3
1
('
22
n
Rv −⋅=
- серия Пашена, n =4;5…
22
1
4
1
('
n
Rv −⋅=
) - серия Брэкета, n = 5;6… (8.5)
)
1
5
1
('
22
n
Rv −⋅=
- серия Пфунда, n = 6;7…
)
1
6
1
('
22
n
Rv −⋅=
- серия Хемфри, n = 7;8…
Анализируя соотношения (8.3) – (8.5), можно сказать, что все се-
рии атомарного водорода можно представить общей формулой, назы-
ваемой обобщенной формулой Бальмера:
)
11
('
22
nm
Rv −⋅=
(8.6)
где m имеет в каждой данной серии постоянное значение,
m=1;2;3;4;5;6 (определяет серию); а n=m+1, m+2,… (определяет от-
дельные линии этой серии). Обозначим величины
)(/
2
mTmR = и
)(/
2
nTnR =
– спектральные термы. Тогда (8.6) запишется
)()( nTmTv
−
=
′
(8.7).
Соотношение (8.7) получило название комбинационный принцип.
Этот принцип был установлен опытным путем, а теория Бора
дала ему толкование: каждому спектральному терму соответствует
определенное стационарное состояние атома и 2–ой постулат Бора –
это есть комбинационный принцип, выраженный иным способом.
58 19
§ 26. Реакция синтеза атомных ядер. С увеличением n линии серии сближаются; волновые числа
Проблема управляемых термоядерных реакций. R 1 1
v' = 2 (при n→∞), v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) определяют границы спек-
2 2 3
Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях тральной серии.
деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных Наряду с серией Бальмера в спектре атомарного водорода были
ядер. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе обнаружены другие серии, волновые числа которых можно предста-
от ядер тяжелого водорода ( 12 Н , 13 Н ) к литию 36 Li и к гелию 24 Не , вить аналогичными формулами.
т.е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровож- В ультрафиолетовой области серия Лаймана:
даться выделением большого количества энергии. В качестве приме- 1 1
ров можно привести следующие реакции синтеза: v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) n = 2;3… (8.4)
1 n
1 Н + 1 Н →1 Н + 1 Н
2 2 3 1
(Q=4,0 МэВ); В инфракрасной области:
2
Н + 12Н → 23 Не+ 01n (Q=3,3 МэВ); 1 1
1
v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) - серия Пашена, n =4;5…
3
1 Н + Н → Не+ n
2
1
4
2
1
0 (Q=17,6 МэВ); 3 n
6
Li + Н → Не+ Не
2 4 4
(Q=22,4 МэВ), 1 1
3 1 2 2 v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) - серия Брэкета, n = 5;6… (8.5)
где Q – энерговыделение. 4 n
Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо 1 1
v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) - серия Пфунда, n = 6;7…
преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при доста- 5 n
точно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из 1 1
легкого изотопа водорода происходит при температурах Т ≈ 10 8 К, а v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) - серия Хемфри, n = 7;8…
6 n
для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития –
Анализируя соотношения (8.3) – (8.5), можно сказать, что все се-
по схеме 13 Н + 12Н → 24 Не+ 01n требуется нагревание примерно до рии атомарного водорода можно представить общей формулой, назы-
5 ⋅ 107 К. ваемой обобщенной формулой Бальмера:
Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, проис- 1 1
v' = R ⋅ ( 2 − 2 ) (8.6)
ходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерны- m n
ми реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энер- где m имеет в каждой данной серии постоянное значение,
гии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из m=1;2;3;4;5;6 (определяет серию); а n=m+1, m+2,… (определяет от-
дейтерия и трития выделяется энергия 4,2 ⋅ 1011 Дж. Такая энергия вы- дельные линии этой серии). Обозначим величины R / m 2 = T (m) и
деляется при сжигании 10 тонн дизельного топлива. R / n 2 = T (n) – спектральные термы. Тогда (8.6) запишется
Необходимые условия для синтеза ядер гелия имеются в недрах
Солнца и других звезд. Термоядерные реакции являются одним из v ′ = T ( m) − T ( n ) (8.7).
источников энергии этих светил. На Земле термоядерная реакция Соотношение (8.7) получило название комбинационный принцип.
синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах. Этот принцип был установлен опытным путем, а теория Бора
В 1953 г. в нашей стране, через полгода – в США были произведены дала ему толкование: каждому спектральному терму соответствует
испытания водородной бомбы, где взрывчатым веществом служила определенное стационарное состояние атома и 2–ой постулат Бора –
смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве кото- это есть комбинационный принцип, выраженный иным способом.
рой возникает необходимая для протекания реакции температура. В
этом случае реакция термоядерного синтеза является неуправляемой.
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- …
- следующая ›
- последняя »
