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📜  核反应——定义、类型、例子

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:36.140000             🧑  作者: Mango

核反应——定义、类型、例子

核反应是两个原子核或一个原子核与一个亚原子粒子之间的碰撞产生至少一种核素的过程。从核反应传递的核素与反应核（通常称为母核）并不完全相同。

两种突出的核反应类型是核裂变反应和核聚变反应。前者包括由重核保留中子（或其他通常较轻的粒子），这使其分裂成（至少两个）较轻的核心。核聚变反应是两个稍微轻的原子核（通过碰撞）管理一个较重的原子核的循环。

释放大量能量的核反应

原子核的质量小于构成它的每个亚原子粒子（质子和中子）的总和。这种质量差异归因于核结合能（经常被称为质量缺陷）。核结合能可以表征为将每个质子和中子保持在核内所需的能量。

在核反应（例如裂变或聚变反应）期间，由核结合能表示的质量按照条件 e = m × c 2 （能量 = 质量乘以光速的平方）传递。

为简化起见，核裂变和核聚变中形成的产物通常比反应物的质量低。这种“缺失”的质量变成了能量。一克物质可以释放大约 90,00,00,00,000 kJ 的能量。

核裂变

它是指一个原子核分裂成两个或更轻的原子核。这个过程可以通过核反应或放射性衰变发生。这些反应定期释放大量能量，伴随着中子和伽马射线的发射（光子拥有巨大的能量，足以从原子中取出电子）。

这种反应是由德国化学家奥托哈恩和斯特拉斯曼于 1938 年首次发现的。裂变反应产生的能量在核电站中转化为电能。这是通过利用核反应产生的热量将水变成蒸汽来完成的。蒸汽用于转动涡轮机以发电。

核裂变的插图

核裂变的一个重要例证是铀 235 原子核在受到中子轰击时的分裂。如下图所示，这种核反应可以形成不同的产物。

U²³⁵ + n 1 → Ba 141 + Kr 92 + 3 n 1
U²³⁵ + n 1 → Xe 144 + Sr 90 + 2 n 1
U²³⁵ + n 1 → La 146 + Br 87 + 3 n 1
U²³⁵ + n 1 → Te 137 + Zr 97 + 2 n 1
U²³⁵ + n 1 → Cs 137 + Rb 96 + 3 n 1
核裂变的另一个重要例证是钚 239 原子核的分离。

核聚变

在核聚变反应中，两个或多个原子核结合形成一个原子核。亚原子粒子，例如中子或质子也作为这些核反应的产物形成。

核聚变反应

这种反应的一个例子是氘 (2H) 和氚 (3H) 之间的反应，产生氦 (4He) 和中子 (1n)。这些聚变反应通常发生在太阳和不同恒星的中心。氘核和氚核的聚变伴随着大约 0.0188 amu 的质量损失（完全转化为能量）。每形成一摩尔氦，就会产生大约 1.69*109 KJ 的能量。

其他重要类型的核反应

  • 阿尔法衰减

质量数大于 200 的原子核通常会经历 α 衰变——通常称为 α 粒子 (42α) 的 4He 原子核从母核中释放出来。

α衰变的条件是： A X Z → A – 4 X' Z – 2 + 4 α 2

其中，A 是质量数，Z 是原子序数。下面给出了 alpha 衰变的说明。

226 Ra → 222 222 Rn + 4 α 2

在这里，镭 226 原子核衰变为氡 222 原子核，同时释放出一个 α 粒子。

  • 贝塔衰减

β衰变发生在中子转变为质子时，伴随着β粒子（高能电子）的发射。这种核反应的一个例子是产生氮 14 的碳 14 的 β 衰变：

146 C → 147 N + 0 β -1

  • 伽马发射

当一个受激原子核（通常由另一个原子核的放射性衰变产生）回到其基态时，就会发生伽马放电，伴随着高能光子的发射。
伽马发射的一个例子是激发的铊 234 核（它是从铀 238 的 α 衰变中释放出来的）的去激发。这种核反应的条件是：

234钍* → 234钍 + γ

示例问题

问题 1：完成下列核反应：

  1. 1 n 0 + 40 Ar 18 ⇢ … +α
  2. 1 n 0 + 235 U 92 ⇢ 98 Zr 40 + …+ 3 1 n

回答：

问题2：考虑反应

13 C 6 + 1 H 1 ⇢ 4 He 2 + 10 B 5

  1. 使用所涉及的核素的质量来确定它是内源性的还是外源性的。
  2. 如果它是exoergic，找到释放的能量，如果它是exoergic，找到阈值能量。
Request:Name:Z:A:Mass (Mass Error), u:
Target Nucleus:C61313.0033548377
Incident Particle:proton 111.00782503207
Outgoing Particle1He244.00260325415
Final Nucleus :B51010.01293699

回答：

问题3：计算裂变反应释放的能量：

1 n 0 + 235 U 92 ⇢ 88 Sr 38 + 136 Xe 54 + 12n

Request:  Name: ZAMass (Mass Error), u:
Target Nucleus:U92235235.0439299
Incident Particle:neutron 0 11.008664923
Selected (by User) Fission Fragment:Sr388887.9056121
Defined (by Programm) Fission Fragment:Xe54136135.9072187
Prompt Particle 1, Accompanied Fission:12_n 01212.10397898888

回答：

问题 4：求下列反应的阈值能量：

16 O 8 + 1 n 0 ⇢ 13 C 6 + 4 He 2

Request: Name:  ZAMass (Mass Error), u:
Target Nucleus:O81615.9949146195
Incident Particle:neutron   011.008664923
Outgoing Particle 1:He   244.00260325415
Final Nucleus :C  61313.0033548377

回答：

问题 5：求下列反应的阈值能量：

3他2 + 1 n 0 ⇢ 2 2 H 1

Request:Name: ZAMass (Mass Error), u:
Target Nucleus:He233.0160293191
Incident Particle::neutron011.008664923
Outgoing Particle H122.01410177785 

回答：