Почему почти во всех ядерных реакциях выделяется энергия?

Если бы они не высвобождали энергию, их бы не было. Альтернатива, ядерные реакции, которые требуют энергии, явно нуждаются в упомянутом количестве энергии, которое должно откуда-то поступать, например, кинетическая энергия, связанная со столкновением двух ядер (даже те, которые высвобождают энергию, обычно имеют «барьер» и некоторое количество начального количества энергии). кинетическая энергия необходима для преодоления этого). Без источника, обеспечивающего эту энергию, они не произойдут. С источником, обеспечивающим это, они будут; например, в сверхновых образуются элементы тяжелее железа.

Очень интересный вопрос!

В химии вы тратите много времени на обсуждение экзотермических и эндотермических реакций: когда вы смешиваете свои реагенты, иногда реакция нагревает, а иногда охлаждает. Ядерные реакции сильно отличаются тем, что практически все спонтанные реакции, изучаемые в лабораториях, являются экзотермическими.

Однако между ядерной лабораторией и химической лабораторией есть важное различие: температура. В химической реакции масштаб энергии, связанный с образованием и разрывом связей, может составлять несколько электрон-вольт. Например, скрытая теплота плавления воды , равная 330 Дж/г, составляет около 60 миллиэВ на молекулу. В тепловой ванне при комнатной температуре много фононов со средней энергией около$kT = 25\,\mathrm{meV}$, поэтому обнаружение фонона с энергией 60+ мэВ для разрыва связи вода-вода вполне вероятно.

Напротив, типичные энергии возбуждения ядер составляют миллионы эВ. Эндотермические ядерные реакции по большей части не происходят самопроизвольно, потому что лаборатории здесь, на Земле, работают при нулевой температуре, насколько может судить ядро. Просто нет тепла, которое можно было бы впитать, чтобы вызвать реакцию.

В горячей среде, например, в ядре звезды, дело обстоит иначе. Там у вас появляется достаточно энергии, чтобы вы могли запускать экзотермические реакции с энергетическими барьерами, такие как синтез водорода и гелия. Но даже в этом случае вклад эндотермических реакций незначителен. (Если бы в ядрах звезд происходило множество эндотермических ядерных реакций, они бы высасывали тепло из ядра до тех пор, пока оно не становилось слишком холодным для проведения реакции.) Есть несколько контрпримеров. Например, дейтерий распадается, если поглощает фотон высокой энергии; но поскольку дейтерий представляет собой промежуточную стадию протон-протонного синтеза, в результате этого дейтерий действует как нестабильное ядро, время жизни которого зависит от температуры.

В качестве другого примера рассмотрим производство урана из свинца. Это явно эндотермический процесс, поскольку уран, предоставленный самому себе, распадется на свинец, ансамбль альфа- и бета-частиц и тепло. Уран производится из свинца в результате серии захватов нейтронов с выделением энергии и бета-распадов с выделением энергии; свободные нейтроны возникают в результате реакций синтеза между альфа-частицами и ядрами средней массы, которые выделяют энергию. Все стадии перехода от свинца к урану экзотермические . Как получается, что эндотермическая реакция может состоять из экзотермических стадий?

Есть несколько вещей, которые следует учитывать. Во-первых, поскольку реакция не происходит при тепловом равновесии, существует несколько конкурирующих процессов, временные рамки которых необходимо принимать во внимание. Вот диаграмма, показывающая время жизни задействованных ядер; изотопы черного цвета стабильны, а более светлые цвета имеют более короткий срок службы:

Если поток нейтронов низкий, производство элементов останавливается на свинце и висмуте: захват нейтронов на висмуте-209 дает висмут-210, который бета-распадает через неделю до полония-210, который через несколько месяцев альфа-распадает до свинца-206. . Справедливо думать о цикле, в котором свинец-206 поглощает четыре нейтрона и испускает два бета и один альфа, как о своего рода катализируемой экзотермической реакции синтеза. Однако, если поток нейтронов велик, нестабильные изотопы могут сами поглощать нейтроны, что является путем к более долгоживущим изотопам урана, тория и радия. В каком-то смысле, когда мы берем радиоактивное тепло из куска урана и говорим, что «эта энергия накапливалась здесь в результате эндотермического процесса в давно умершей звезде», на самом деле мы прервали преобразование нейтронов в альфа-частицы. через свинец в особо долгоживущей промежуточной точке.

Другое важное различие между эндотермическим производством урана и эндотермическими реакциями в химии заключается в том, что в ядерных реакциях происходит обмен как теплом, так и частицами с окружающей средой; требуется гораздо больше внимания, чтобы провести различие между интересующей нас «системой» и «ее окружением», обеспечивающим тепло. Это резко отличается от химической реакции , в которой между системой и окружающей средой течет только тепло, а реакция управляется ее энтропией.

Только половина от общего числа ядерных реакций высвобождает энергию. Другая половина — это обратные процессы, поглощающие энергию.

Однако почти вся совокупность самопроизвольных процессов связана с выделением энергии . Процессы, которые требуют введения в систему некоторой внешней энергии, встречаются гораздо реже, поскольку могут иметь место только тогда, когда эта энергия каким-то образом доступна извне.

Когда мы говорим о ядерной реакции, задействованные энергии обычно огромны, поэтому довольно редко можно наблюдать несамопроизвольный процесс: количество энергии почти никогда не доступно. Однако, используя ускорители частиц, мы можем направить большое количество энергии в ядерную систему, позволяя происходить ядерно-эндотермическим реакциям с образованием экзотических ядер. В Природе подобные процессы обычно требуют взрыва звезды.

Ядерные реакции подчиняются понятию «Энтропия». Все в природе переходит в более низкое или более хаотичное энергетическое состояние. Сама Вселенная стремится к нулевой энергии/движению. Через много триллионов лет Вселенная станет термодинамически мертвой.

Протоны и нейтроны в атоме связаны друг с другом. Если какой-либо атом распадается на две или более частей, это представляет собой более хаотичное состояние, чем раньше. Поскольку связи, удерживающие атом вместе, разорвались, энергия связи высвободилась в виде быстро движущихся частиц и/или электромагнитного излучения.

По сути, такой большой атом, как уран, очень похож на шар, балансирующий на вершине остроконечного холма. Энтропия заставляет его хотеть быть в более стабильном, более низком энергетическом состоянии. Это состояние находится на дне долины, и ему некуда идти.

Да, Джим прав, статья в Википедии ответит на большинство ваших вопросов. Тем не менее, я перечислю здесь несколько фактов о ядерных реакциях и надеюсь, что teose поможет вам.

Ядерная реакция в основном имеет два основных типа реакции деления и реакции синтеза. (Есть и другие типы, я просто перечисляю только два, чтобы ответить на ваш вопрос простыми словами)

Во второй реакции синтеза легкие ядра объединяются, образуя тяжелое ядро, и для этого им требуется огромная энергия. Эти реакции происходят в звездах, поскольку для их начала требуется высокая температура.

В реакциях деления тяжелые ядра распадаются на более легкие ядра с выделением энергии. Типичным примером будет атомная электростанция. Все остальное вы можете прочитать в Википедии и причины вышеперечисленных вещей

Вот ссылка на Википедию: http://en.m.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reaction