NENÍ TO TAK JEDNODUCHÉ
 |
Schéma exotermických a
endotermických reakcí.
Energetické změny, které probíhají při těchto reakcích, si můžeme znázornit na
mechanickém modelu.
V případě a. je znázorněn vznik stabilního útvaru snížením potencionální
energie jeho částí, v případě b. rozdělením složeného útvaru vzniknou dvě
stabilnější části opět snížením jejich potenciální energie. Tyto dva modely
představují schéma reakcí exotermických. Případy c. a d. jsou modely reakcí
endotermických. |
Hovořili jsme o reakcích, při kterých se uvolňuje energie. Takové reakce
nazýváme exotermické.
Uvolněná energie je úměrná úbytku klidové hmotnosti při reakci. Opačné reakce,
při kterých musíme energii dodávat, se nazývají endotermické. Dodaná
energie je úměrná zvýšení klidové hmotnosti při reakci. Zapišme si jadernou reakci jednoduše jako a + b ®c + d, kde a, b jsou částice či jádra do reakce vstupující a
c, d jsou produkty reakce. O typu reakce pak rozhodne energie reakce
Q = (ma + mb - mc -md ). c2,
která vyjadřuje rozdíl součtu klidových energií částic vstupujících do reakce a
součtu klidových energií produktů reakce. Jestliže Q > 0, jde o reakci
exotermickou, jestliže Q < 0, jedná se o reakci endotermickou. Pokud je
Q = 0, nazýváme takovou reakci pružným procesem, při němž hmotnosti částic před
a po reakci zůstávají stejné.
Ne každá exotermická reakce však probíhá samovolně.
Např. k tomu, aby hořelo uhlí, ho musíme zapálit dodat počáteční impulz pro
rozběh reakce. Pro nastartování jaderné syntézy musí jádra překonat bariéru
odpudivých elektromagnetických sil. Podobně je tomu i pro reakci štěpení uranu.
Samovolně se uran štěpí s obrovským poločasem
rozpadu asi 1016 let. Pro energetické využití musíme reakci štěpení
urychlit.
Některé vlastnosti
atomového jádra můžeme odvodit z modelu jádra jako kapky kapaliny. Kvalitativně
dobře se dá tímto modelem vysvětlit například štěpení i syntéza jader. |
 |
Začneme s kapkou rtuti. Ze zkušenosti víme, že kapka rtuti se rozdělí, jestliže
překonáme sily povrchového napětí, např. klepnutím skleněnou tyčinkou. Podobně i
jádro atomu můžeme s určitým omezením
považovat za kapku jaderné kapaliny. Během štěpení se původně kulové jádro
deformuje, zvětšuje svůj povrch a proti silám povrchového napětí musí konat
práci. Současně pomalu klesá odpuzování elektrickými silami mezi protony jádra.
Nakonec se kapka zaškrtí, elektrostatické odpuzování nabyde převahy nad silami
povrchového napětí a oddělí obě části jádra, které se od sebe rozletí velkou
rychlostí asi 10 000 km.s-1. Proto štěpení bude probíhat pouze tehdy,
jestliže jádru dodáme energii větší, než je bariéra štěpení (způsobená vlivem
povrchové energie) tzv. aktivační energie Ea.
Počátečním podnětem pro štěpení, "klepnutím" do jádra, může být
např. interakce jádra s neutronem. Neutron je zvláště výhodný, neboť nenese
elektrický náboj a nemusí překonávat bariéru odpudivých elektrických sil protonů
tak jako nabité částice. Bariéra štěpení Ea klesá se zvyšující se
nestabilitou jader, která je vyjádřena parametrem štěpení Z2/A:
Jádra, pro která je Z2/A > 45, nemohou existovat, neboť taková jádra se
po vytvoření ihned samovolně rozštěpí. Pro některá těžší jádra stačí pro
aktivaci štěpení energie získaná zachycením neutronu.
Tímto způsobem si můžeme vysvětlit i rozdíl v charakteru štěpení izotopů
uranu 235U a 238U.
 |
Průběh potenciální bariéry
při štěpení těžkého jádra
(kapkový model jádra). |
Zatímco 238U lze štěpit pouze rychlými neutrony, 235U se
štěpí
i pomalými neutrony s minimální
energií.
V čem tento rozdíl spočívá?
- Jádro 235U má větší
hodnotu Z2/A než 235U, a tedy i menší výšku bariéry Ea.
- Vazebná energie neutronu k jádru 235U
je větší než k jádru 238, což plyne z toho, že z jádra 235U se
záchytem neutronu stává sudo - sudé jádro (má sudý počet protonů i neutronů).
Tento typ jader je velmi stabilní. Uvolněná vazebná energie neutronu může
převýšit bariéru štěpení Ea.
Vazebná energie neutronu k jádru 235U
převyšuje i při minimální kinetické energii neutronu výšku bariéry štěpení,
zatímco pro štěpení 238U je nutné použít neutrony s minimální
kinetickou energii 1 MeV.
Vzhledem k tomu, že při procesu štěpení jádra uranu je emitováno i několik
neutronů, otvírá se. zde možnost realizace řetězové reakce, vhodné pro
energetické využití v jaderných reaktorech.
Dnes je jadernou energetikou produkováno asi 17% světové výroby elektrické energie.
|