Цепная реакция
Цепная реакция является физическим или химическим превращением (реакция) , которая состоит из подобных, зависимых друг от друга реакций. Продуктом индивидуальной реакции является исходным продуктом ( реагент , исходное вещество ) для последующей реакции . Цепь реакции может быть линейной или разветвленной.
Для разветвленных цепей реакций характерен экспоненциальный закон времени . Скорость реакции (количество индивидуальных реакций за интервал времени) может увеличиваться или уменьшаться с течением времени или быть постоянной (см. Примеры ниже). «Цепная реакция» не означает - вопреки распространенному заблуждению - что процесс должен постоянно ускоряться или распространяться и вести к катастрофе . Кроме того, не каждый лавинообразный процесс роста является цепной реакцией, особенно термоядерные взрывы.
Термин цепная реакция так же используется в повседневном языке, см. Эффект домино или письмо счастья .
Химические цепные реакции
Цепные реакции не обязательно должны состоять из одного типа частичной реакции. Например, реакция, которая сама по себе может привести только к линейным цепочкам реакций, может быть объединена с другой реакцией, которая приводит к разветвлениям цепи. Важны цепные химические реакции, например Б. в полимеризации или радикальном замещении . В полимеразной цепной реакции (ПЦР) реакции разветвления циклически меняются с изменением температуры, при этом конверсия удваивается на каждой стадии. Хорошо известное применение ПЦР - определение генетического отпечатка пальца .
Процессы с передачей энергии, но не с передачей продукта в чистом виде при детонации , не называются цепными реакциями. Однако часто переходы плавные. Многие процессы горения начинаются с преимущественно линейных реакционных цепочек, например, с газообразным хлором , но более или менее быстро достигают температуры ( задержка воспламенения ) за счет выделения энергии, при которой реакции термической диссоциации преобладают через ветви цепи, которые могут протекать параллельно. Это обычное состояние при горящем пламени . Скорость реакции можно контролировать, подавая реакционные материалы.
Физические цепные реакции
Нейтронное деление ядер
.svg)
Расщепление подходящего атомного ядра срабатывает по поглощению свободного нейтрона выпускает некоторые нейтроны снова (в среднем от двух до трех нейтронов, в зависимости от расщепленного нуклида и энергии запускающего нейтрона). Они могут расщепить другие ядра, выпустить новые нейтроны и т.
При нормальной работе ядерного реактора эта цепная реакция регулируется таким образом, чтобы скорость реакции оставалась постоянной ( критичность ), т.е. Это означает, что в среднем ровно один из новых нейтронов снова вызывает деление. Для увеличения производительности скорость отклика увеличивается, для уменьшения - уменьшается. Изменения скорости реакции можно выразить коэффициентом умножения k ; Каждый 1 свободный нейтрон имеет в среднем k свободных нейтронов в качестве преемников в следующем поколении . При постоянной скорости реакции и, следовательно, постоянной производительности реактора k = 1,00.
Управление в реакторе происходит в основном за счет удаления нейтронов из реакции с помощью подходящих неделящихся веществ ( поглотителей нейтронов ). Например, в реакторах с водой под давлением для медленных и постоянных изменений количество соединения бора, растворенного в охлаждающей воде, изменяется; Управляющие стержни используются для кратковременных корректировок и для выключения .
С другой стороны, ядерное оружие предназначено для максимально быстрого и максимально быстрого увеличения скорости реакции. В конструкции не используются поглотители нейтронов, а не только сам делящийся материал.
На рисунке схематично показана цепная реакция расщепления с быстро увеличивающейся скоростью реакции, здесь: удвоение в каждом поколении. (Направление слева направо показывает только временную, а не пространственную последовательность. В действительности, выпущенные нейтроны движутся в пространстве, содержащем делящийся материал, во всех пространственных направлениях.)
Другие типы ядерных реакций с передачей нейтронов
Еще до открытия ядерного деления Лео Сцилард думал о возможности того, что другие типы ядерных реакций , которые запускаются нейтронами и затем высвобождают сами нейтроны, могут иметь место как цепные реакции. Но это не так. Чтобы добиться умножения k = 1 или выше, реакция должна высвободить больше нейтронов, чем потребляет; для того, чтобы воспроизводиться без затрат энергии, он должен быть экзотермическим . Как теперь известно, деление ядра - единственная реакция, удовлетворяющая обоим условиям. Все (n, 2n) -, (n, 3n) -, (n, x2n) - и подобные реакции (x обозначает одну или несколько произвольных частиц) являются эндотермическими .
Термоядерная реакция
Некоторые реакции синтеза образуют цепочки реакций в смысле последующих реакций в рамках механизма реакции , такие как различные реакции протон-протонной реакции , которые приводят к образованию гелия в звездах . Однако это не цепная реакция, потому что стадии реакции не похожи.
Умножение носителей заряда через процессы столкновения
Цепные реакции протекают также в автономном газовом разряде и в виде лавинообразного пробоя в полупроводниковых диодах. Носитель заряда, ускоренный в электрическом поле, в случае столкновения генерирует дополнительные пары носителей заряда.
иллюстрация
Цепная реакция с изначально возрастающей скоростью реакции может быть проиллюстрирована на мышеловках: напряженная ловушка несет на ударной планке мяч, который сильно ускоряется спусковым механизмом. Если он попадает в одну или несколько других мышеловок, он запускает их, и в игру вступает больше мячей.
