ფარდობითობის თეორია ამბობს, რომ მასა ენერგიის განსაკუთრებული ფორმაა. აქედან გამომდინარეობს, რომ შესაძლებელია მასის ენერგიად და ენერგიის მასად გადაქცევა. ინტრაატომურ დონეზე ასეთი რეაქციები ხდება. კერძოდ, თავად ატომის ბირთვის მასის ნაწილი შესაძლოა ენერგიად იქცეს. ეს ხდება რამდენიმე გზით. პირველი, ბირთვი შეიძლება დაიშალა რამდენიმე პატარა ბირთვად, ამ რეაქციას ეწოდება "დაშლა". მეორეც, პატარა ბირთვები ადვილად გაერთიანდებიან უფრო დიდის შესაქმნელად - ეს არის შერწყმის რეაქცია. სამყაროში ასეთი რეაქციები ძალიან ხშირია. საკმარისია ითქვას, რომ შერწყმის რეაქცია არის ვარსკვლავების ენერგიის წყარო. მაგრამ დაშლის რეაქციას კაცობრიობა იყენებს ბირთვულ რეაქტორებში, რადგან ადამიანებმა ისწავლეს ამ რთული პროცესების კონტროლი. მაგრამ რა არის ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია? როგორ მართოთ ეს?
რა ხდება ატომის ბირთვში
ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია არის პროცესი, რომელიც ხდება, როდესაც ელემენტარული ნაწილაკები ან ბირთვები ეჯახება სხვა ბირთვებს. რატომ "ჯაჭვი"? ეს არის თანმიმდევრული ერთჯერადი ბირთვული რეაქციების ნაკრები. ამ პროცესის შედეგად ხდება ორიგინალური ბირთვის კვანტური მდგომარეობისა და ნუკლეონის შემადგენლობის ცვლილება, ჩნდება ახალი ნაწილაკებიც კი - რეაქციის პროდუქტები. ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია, რომლის ფიზიკა საშუალებას იძლევა შეისწავლოს ბირთვების ურთიერთქმედების მექანიზმები ბირთვებთან და ნაწილაკებთან, არის ახალი ელემენტების და იზოტოპების მიღების მთავარი მეთოდი. იმისათვის, რომ გავიგოთ ჯაჭვური რეაქციის ნაკადი, ჯერ უნდა გაუმკლავდეთ ერთეულებს.
რა არის საჭირო რეაქციისთვის
ისეთი პროცესის განსახორციელებლად, როგორიცაა ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია, აუცილებელია ნაწილაკების (ბირთვი და ნუკლეონი, ორი ბირთვი) მიახლოება ძლიერი ურთიერთქმედების რადიუსის მანძილზე (დაახლოებით ერთი ფერმი). თუ მანძილი დიდია, მაშინ დამუხტული ნაწილაკების ურთიერთქმედება წმინდა კულონის იქნება. ბირთვულ რეაქციაში დაცულია ყველა კანონი: ენერგიის შენარჩუნება, იმპულსი, იმპულსი, ბარიონის მუხტი. ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია აღინიშნება a, b, c, d სიმბოლოებით. სიმბოლო a აღნიშნავს თავდაპირველ ბირთვს, b შემომავალ ნაწილაკს, c ახალ გამავალ ნაწილაკს და d მიღებულ ბირთვს.
რეაქციის ენერგია
ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს როგორც შთანთქმით, ასევე ენერგიის გამოყოფით, რაც უდრის ნაწილაკების მასების სხვაობას რეაქციის შემდეგ და მის წინ. შთანთქმის ენერგია განსაზღვრავს შეჯახების მინიმალურ კინეტიკურ ენერგიას,ბირთვული რეაქციის ეგრეთ წოდებული ბარიერი, სადაც ის თავისუფლად შეიძლება გაგრძელდეს. ეს ბარიერი დამოკიდებულია ურთიერთქმედებაში ჩართულ ნაწილაკებზე და მათ მახასიათებლებზე. საწყის ეტაპზე ყველა ნაწილაკი წინასწარ განსაზღვრულ კვანტურ მდგომარეობაშია.
რეაქციის განხორციელება
დამუხტული ნაწილაკების ძირითადი წყარო, რომლებიც ბომბავს ბირთვს, არის ნაწილაკების ამაჩქარებელი, რომელიც წარმოქმნის პროტონების, მძიმე იონების და მსუბუქი ბირთვების სხივებს. ნელი ნეიტრონები მიიღება ბირთვული რეაქტორების გამოყენებით. ინციდენტის დამუხტული ნაწილაკების დასაფიქსირებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ტიპის ბირთვული რეაქციები, როგორც შერწყმა, ასევე დაშლა. მათი ალბათობა დამოკიდებულია შეჯახებული ნაწილაკების პარამეტრებზე. ეს ალბათობა ასოცირდება ისეთ მახასიათებელთან, როგორიცაა რეაქციის განივი განყოფილება - ეფექტური ფართობის მნიშვნელობა, რომელიც ახასიათებს ბირთვს, როგორც სამიზნე ინციდენტის ნაწილაკებისთვის და რომელიც არის ნაწილაკის და ბირთვის ურთიერთქმედების ალბათობის საზომი. თუ რეაქციაში მონაწილეობას იღებენ ნაწილაკები, რომლებსაც აქვთ არანულოვანი სპინი, მაშინ განივი მონაკვეთი პირდაპირ დამოკიდებულია მათ ორიენტაციაზე. ვინაიდან შემხვედრი ნაწილაკების სპინები არ არის სრულიად შემთხვევით ორიენტირებული, არამედ მეტ-ნაკლებად დალაგებული, ყველა კორპუსკული იქნება პოლარიზებული. ორიენტირებული სხივის ბრუნვის რაოდენობრივი მახასიათებელი აღწერილია პოლარიზაციის ვექტორით.
რეაქციის მექანიზმი
რა არის ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია? როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ეს არის უფრო მარტივი რეაქციების თანმიმდევრობა. შემთხვევის ნაწილაკის მახასიათებლები და მისი ბირთვთან ურთიერთქმედება დამოკიდებულია მასაზე, მუხტზე,კინეტიკური ენერგია. ურთიერთქმედება განისაზღვრება ბირთვების თავისუფლების ხარისხით, რომლებიც აღგზნებულია შეჯახების დროს. ყველა ამ მექანიზმზე კონტროლის მოპოვება იძლევა ისეთი პროცესის საშუალებას, როგორიცაა კონტროლირებადი ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია.
პირდაპირი რეაქციები
თუ დამუხტული ნაწილაკი, რომელიც ურტყამს სამიზნე ბირთვს, მხოლოდ მას ეხება, მაშინ შეჯახების ხანგრძლივობა ტოლი იქნება ბირთვის რადიუსის მანძილის დასაძლევად საჭირო მანძილის. ასეთ ბირთვულ რეაქციას პირდაპირი რეაქცია ეწოდება. ამ ტიპის ყველა რეაქციის საერთო მახასიათებელია თავისუფლების მცირე რაოდენობის აღგზნება. ასეთ პროცესში, პირველი შეჯახების შემდეგ, ნაწილაკს ჯერ კიდევ აქვს საკმარისი ენერგია ბირთვული მიზიდულობის დასაძლევად. მაგალითად, ისეთი ურთიერთქმედება, როგორიცაა ნეიტრონების არაელასტიური გაფანტვა, მუხტის გაცვლა და ეხება პირდაპირ. ასეთი პროცესების წვლილი მახასიათებელში, რომელსაც ეწოდება "მთლიანი კვეთა", საკმაოდ უმნიშვნელოა. ამასთან, პირდაპირი ბირთვული რეაქციის გავლის პროდუქტების განაწილება საშუალებას იძლევა განისაზღვროს სხივის მიმართულების კუთხიდან გაქცევის ალბათობა, კვანტური რიცხვები, დასახლებული მდგომარეობების სელექციურობა და განისაზღვროს მათი სტრუქტურა..
წინასწარი წონასწორობის ემისია
თუ ნაწილაკი არ დატოვებს ბირთვული ურთიერთქმედების რეგიონს პირველი შეჯახების შემდეგ, მაშინ ის ჩაერთვება თანმიმდევრული შეჯახების მთელ კასკადში. სინამდვილეში ეს არის მხოლოდ ის, რასაც ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ეწოდება. ამ სიტუაციის შედეგად, ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია ნაწილდება მათ შორისბირთვის შემადგენელი ნაწილები. თავად ბირთვის მდგომარეობა თანდათან ბევრად უფრო გართულდება. ამ პროცესის დროს, გარკვეულ ნუკლეონს ან მთელ კლასტერს (ნუკლეონთა ჯგუფს) შეუძლია მოახდინოს ენერგიის კონცენტრირება, რომელიც საკმარისია ბირთვიდან ამ ნუკლეონის გამოსხივებისთვის. შემდგომი მოდუნება გამოიწვევს სტატისტიკური წონასწორობის ფორმირებას და რთული ბირთვის წარმოქმნას.
ჯაჭვური რეაქციები
რა არის ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია? ეს არის მისი შემადგენელი ნაწილების თანმიმდევრობა. ანუ, დამუხტული ნაწილაკებით გამოწვეული მრავალი თანმიმდევრული ერთჯერადი ბირთვული რეაქცია წარმოიქმნება, როგორც რეაქციის პროდუქტები წინა ნაბიჯებში. რა არის ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია? მაგალითად, მძიმე ბირთვების დაშლა, როდესაც მრავალი დაშლის მოვლენა იწყება წინა დაშლის დროს მიღებული ნეიტრონების მიერ.
ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის მახასიათებლები
ყველა ქიმიურ რეაქციას შორის ფართოდ გამოიყენება ჯაჭვური რეაქციები. გამოუყენებელი ბმების მქონე ნაწილაკები ასრულებენ თავისუფალი ატომების ან რადიკალების როლს. ისეთ პროცესში, როგორიცაა ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია, მისი წარმოქმნის მექანიზმს უზრუნველყოფენ ნეიტრონები, რომლებსაც არ გააჩნიათ კულონის ბარიერი და აღაგზნებს ბირთვს შეწოვისას. თუ აუცილებელი ნაწილაკი ჩნდება გარემოში, მაშინ ის იწვევს შემდგომი გარდაქმნების ჯაჭვს, რომელიც გაგრძელდება მანამ, სანამ ჯაჭვი არ გაწყდება მატარებელი ნაწილაკების დაკარგვის გამო.
რატომ დაიკარგა გადამზიდავი
უწყვეტი რეაქციების ჯაჭვის გადამზიდავი ნაწილაკების დაკარგვის მხოლოდ ორი მიზეზი არსებობს. პირველი არის ნაწილაკების შეწოვა ემისიის პროცესის გარეშემეორადი. მეორე არის ნაწილაკების გამგზავრება იმ ნივთიერების მოცულობის ზღვარს მიღმა, რომელიც მხარს უჭერს ჯაჭვის პროცესს.
პროცესის ორი ტიპი
თუ ჯაჭვური რეაქციის თითოეულ პერიოდში იბადება მხოლოდ ერთი გადამტანი ნაწილაკი, მაშინ ამ პროცესს შეიძლება ვუწოდოთ განშტოებული. მას არ შეუძლია გამოიწვიოს ენერგიის გამოყოფა დიდი მასშტაბით. თუ ბევრი გადამზიდავი ნაწილაკია, მაშინ ამას ეწოდება განშტოებული რეაქცია. რა არის ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია განშტოებით? წინა აქტში მიღებული ერთ-ერთი მეორადი ნაწილაკი გააგრძელებს ადრე დაწყებულ ჯაჭვს, ხოლო დანარჩენები შექმნიან ახალ რეაქციებს, რომლებიც ასევე განშტოდებიან. ეს პროცესი კონკურენციას გაუწევს შესვენებისკენ მიმავალ პროცესებს. შედეგად მიღებული ვითარება წარმოშობს კონკრეტულ კრიტიკულ და შემზღუდველ მოვლენებს. მაგალითად, თუ უფრო მეტი წყვეტა იქნება, ვიდრე წმინდა ახალი ჯაჭვები, მაშინ რეაქციის თვითშენარჩუნება შეუძლებელი იქნება. მაშინაც კი, თუ ის ხელოვნურად აღგზნებულია მოცემულ გარემოში ნაწილაკების საჭირო რაოდენობის შეყვანით, პროცესი დროთა განმავლობაში მაინც დაიშლება (ჩვეულებრივ საკმაოდ სწრაფად). თუ ახალი ჯაჭვების რაოდენობა აღემატება წყვეტების რაოდენობას, მაშინ ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია დაიწყებს გავრცელებას მთელ ნივთიერებაზე.
კრიტიკული მდგომარეობა
კრიტიკული მდგომარეობა ჰყოფს მატერიის მდგომარეობის არეალს განვითარებული თვითშენარჩუნებული ჯაჭვური რეაქციით და იმ არეალს, სადაც ეს რეაქცია საერთოდ შეუძლებელია. ეს პარამეტრი ხასიათდება თანასწორობით ახალი სქემების რაოდენობასა და შესაძლო წყვეტების რაოდენობას შორის. თავისუფალი გადამზიდავი ნაწილაკების არსებობის მსგავსად, კრიტიკულიასახელმწიფო არის მთავარი პუნქტი ისეთ სიაში, როგორიცაა „ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების პირობები“. ამ მდგომარეობის მიღწევა შეიძლება განისაზღვროს მრავალი შესაძლო ფაქტორით. მძიმე ელემენტის ბირთვის გაყოფა აღგზნებულია მხოლოდ ერთი ნეიტრონით. ისეთი პროცესის შედეგად, როგორიცაა ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქცია, წარმოიქმნება მეტი ნეიტრონი. ამრიგად, ამ პროცესს შეუძლია წარმოქმნას განშტოებული რეაქცია, სადაც ნეიტრონები იმოქმედებენ როგორც მატარებლები. იმ შემთხვევაში, როდესაც ნეიტრონის დაჭერის სიჩქარე დაშლის ან გაქცევის გარეშე (დაკარგვის სიჩქარე) კომპენსირდება გადამზიდავი ნაწილაკების გამრავლების სიჩქარით, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია გაგრძელდება სტაციონარული რეჟიმში. ეს თანასწორობა ახასიათებს გამრავლების კოეფიციენტს. ზემოაღნიშნულ შემთხვევაში ის უდრის ერთს. ბირთვულ ენერგიაში ენერგიის გამოყოფის სიჩქარესა და გამრავლების ფაქტორს შორის უარყოფითი უკუკავშირის დანერგვის გამო შესაძლებელია ბირთვული რეაქციის მიმდინარეობის კონტროლი. თუ ეს კოეფიციენტი ერთზე მეტია, მაშინ რეაქცია განვითარდება ექსპონენტურად. უკონტროლო ჯაჭვური რეაქციები გამოიყენება ბირთვულ იარაღში.
ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია ენერგიაში
რეაქტორის რეაქტიულობა განისაზღვრება პროცესების დიდი რაოდენობით, რომლებიც ხდება მის ბირთვში. ყველა ეს გავლენა განისაზღვრება ე.წ. რეაქტიულობის კოეფიციენტით. გრაფიტის ღეროების, გამაგრილებლების ან ურანის ტემპერატურის ცვლილების გავლენა რეაქტორის რეაქტიულობაზე და ისეთი პროცესის ინტენსივობაზე, როგორიცაა ბირთვული ჯაჭვის რეაქცია, ხასიათდება ტემპერატურის კოეფიციენტით (გამაგრილებლისთვის, ურანისთვის, გრაფიტისთვის).ასევე არსებობს დამოკიდებული მახასიათებლები სიმძლავრის, ბარომეტრული მაჩვენებლების, ორთქლის მაჩვენებლების თვალსაზრისით. რეაქტორში ბირთვული რეაქციის შესანარჩუნებლად საჭიროა ზოგიერთი ელემენტის სხვებად გადაქცევა. ამისათვის აუცილებელია გავითვალისწინოთ ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის ნაკადის პირობები - ნივთიერების არსებობა, რომელსაც შეუძლია დაშლის დროს გაყოს და გაათავისუფლოს გარკვეული რაოდენობის ელემენტარული ნაწილაკები, რაც შედეგად, გამოიწვევს დარჩენილი ბირთვების დაშლას. როგორც ასეთი ნივთიერება, ხშირად გამოიყენება ურანი-238, ურანი-235, პლუტონიუმ-239. ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის გავლისას, ამ ელემენტების იზოტოპები გახრწნიან და წარმოქმნიან ორ ან მეტ სხვა ქიმიურ ნივთიერებას. ამ პროცესში გამოიყოფა ეგრეთ წოდებული "გამა" სხივები, ხდება ენერგიის ინტენსიური გამოყოფა, წარმოიქმნება ორი ან სამი ნეიტრონი, რომელსაც შეუძლია გააგრძელოს რეაქციის მოქმედება. არსებობს ნელი და სწრაფი ნეიტრონები, რადგან ატომის ბირთვის დაშლის მიზნით, ეს ნაწილაკები გარკვეული სიჩქარით უნდა იფრინონ.
