lect8nucl (Лекции Огурцова (PDF)), страница 6

Если же испущенная частица нетождественна с захваченной (b ≠ a ) , то идет ядерная реакция в прямомсмысле слова.Ядерные реакции классифицируются:1) по роду участвующих в них частиц – реакции под действиемнейтронов; заряженных частиц; γ -квантов;2) по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых, средних ивысоких энергиях;3) по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ( A < 50) ;средних (50 < A < 100) и тяжелых ( A > 100) ядрах;4) по характеру происходящих ядерных превращений – реакции сиспусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случаеэтих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходитв основное состояние, излучая один или несколько γ -квантов).Первая в истории ядерная реакция была осуществлена Резерфордом прибомбардировке ядра азота α -частицами:147N+4181712 He → 9 F → 8 O + 1 p .А.Н.Огурцов.

Физика для студентовРеакции синтеза легких ядер, связанные с преодолением их кулоновскогоотталкивания, эффективно могут протекать лишь при сверхвысокихтемпературах порядка 108—109К. Такие реакции называются термоядернымиреакциями синтеза и происходят в веществе, находящимся в плазменномсостоянии. Термоядерные реакции являются, по-видимому, источникамиэнергии звезд, компенсирующими их излучение. Предположительнотермоядерные реакции на Солнце, в которых ядра водорода превращаются вядра гелия, могут протекать в форме одного из двух термоядерных циклов:1) протон-протонный цикл11p+ 11 p → 21 H + +10 e + 00 ν e ,21H+ 11 p → 23 He + γ ,3342 He + 2 He → 2 He +211 p .2) углерод-азотный цикл121136C + 1 p → 7 N + γ ,141157 N + 1 p → 8O + γ ,13137 N → 6C +15158O → 7 N +00+1 e + 0 ν e ,00+1 e + 0 ν e ,131146C + 1 p → 7 N + γ ,1511247 N + 1 p → 6 C + 2 He .Дополнение22.

Фундаментальные взаимодействия.В настоящее время различают четыре типа фундаментальныхвзаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.Сильное взаимодействие свойственно частицам, называемых адронами(hadros (греч.) – сильный, массивный, крупный), к числу которых принадлежат, вчастности, протон, и нейтрон.

Наиболее известное его проявление – ядерныесилы, обеспечивающие существование атомных ядер.В электромагнитном взаимодействии, наиболее известном инаиболее изученном, непосредственно участвуют только электрическизаряженные частицы и фотоны. Одно из его проявлений – кулоновские силы,обусловливающие существование атомов.Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов.Наиболее известное его проявление – бета-превращения атомных ядер.

Оноже обуславливает нестабильность многих элементарных частиц, напримернейтрона.Гравитационное взаимодействие свойственно всем телам Вселенной,проявляясь в виде сил всемирного тяготения. Эти силы обусловливаютсуществование звезд, планетных систем, и т. п. Гравитационное взаимодействие предельно слабое и в мире элементарных частиц при обычных энергияхнепосредственной роли не играет.Фундаментальные взаимодействия различаются интенсивностями ирадиусами действия:ВзаимодействиеИнтенсивностьРадиус действия, мСильное~1~ 10 −16ЭлектромагнитноеСлабое1137~ 10 −10~ 10 −38∞~ 10 −18∞ГравитационноеВ 60-х годах Ш.Гэлшоу, С.Вайнбергом и А.Саламом была создана теорияэлектрослабого взаимодействия, объединившая электромагнитное и слабоеЯдерная физика8–188–153)23290Th– служит сырьем для получения искусственного ядерноготоплива23392 Uпо схеме23290Th__ββ233233+ 01n → 23390Th ⎯⎯→ 91 Pa ⎯⎯→ 92 U .Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляетсяи поддерживается управляемая цепная реакция деления.Рассмотрим схему реактора на медленныхнейтронах.

В активной зоне реактора расположенытепловыделяющие элементы (твэлы) 1 и замедлитель 2 (в нем нейтроны замедляются до тепловыхскоростей). Твэлы представляют собой блоки изделящегося материала, заключенные в герметичнуюоболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счетэнергии, выделяющейся при делении ядер, твэлыразогреваются, а поэтому для охлаждения онипомещаются в поток теплоносителя 3. Активная зонаокружена отражателем 4, уменьшающим утечкунейтронов. Поддержание стационарного режима реакторапроизводитсяспомощьюуправляющих стержней 5 изматериалов,сильнопоглощающих нейтроны, напримериз бора или кадмия. Теплоносителем в реакторе служит вода,жидкий натрий и др.

Теплоноситель в парогенераторе отдаетсвое тепло пару, которыйпоступает в паровую турбину.Турбинавращаетэлектрический генератор, ток от которого поступает в электрическую сеть.21. Реакция синтеза атомных ядер.Реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер болеетяжелых. При реакциях синтеза удельная энергия связи ядер резкоувеличивается при переходе от ядер дейтерия21H3и трития 1 H к литию63 Liультрахолодные (≤ 10очень холодные (10448−3÷ 0,5 эВ)10высокоэнергетичные (10 ÷ 10 эВ)÷ 10 −4 эВ)÷ 10 −3 эВ)8быстрые (10 ÷ 10 эВ)эВ)−4холодные (10тепловые (10−7−710релятивистские (≥ 10 эВ)4резонансные (0,5 ÷ 10 эВ)В веществах, называемых замедлителями (графит, тяжелая вода D2O,HDO, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и ихэнергия переходит в энергию теплового движения атомов веществазамедлителя.Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций,поскольку они относительно долго могут находиться вблизи атомного ядра, апоэтому вероятность захвата нейтрона ядром очень большая.Для медленных нейтронов характерны упругое рассеяние на ядрах(реакция типа ( n, n) ) и радиационный захват (реакция типа ( n, γ ) ).

Реакциятипа ( n, γ ) приводит к образованию нового изотопа исходного веществаAZX+ 01n →A+1ZY+ γ , например,11348 Cd+ 01n → 11448 Cd + γ .Под действием тепловых нейтронов на легких ядрах наблюдаютсяреакции захвата нейтронов с испусканием протонов и α -частиц (реакции типа( n, p ) и ( n, α ) )31312 He + 0 n → 1 H + 1 p ,→ 73 Li + 42 He .Но главным образом реакции типа ( n, p ) и ( n,α ) происходят под1015B + 0nдействием быстрых нейтронов, т.к. в этом случае энергия достаточна дляпреодоления потенциального барьера, препятствующего вылету протонов иα -частиц.Для быстрых нейтронов наблюдается неупругое рассеяние (n, n′) :AZXигелию 2 Hе (см. стр. 8-3), что приводит к большому энерговыделению Q22311 H + 1 H → 1 H +1 p22311 H + 1 H → 2 Hе + 0 n23411 H + 1 H → 2 Hе + 0 n62443 Li+ 1 H → 2 Hе + 2 Hе17.

Ядерные реакции под действием нейтронов.В зависимости от скорости (энергии) нейтроны делят на медленные ибыстрые.Быстрые нейтроны:Медленные нейтроны:+ 01n → ZA X∗ + 01n′ .где вылетающий из ядра нейтрон10n,10 n′имеет энергию меньшую энергииа остающееся после вылета нейтрона ядро(Q = 4,0 МэВ) ,налетающего нейтрона(Q = 3,3 МэВ) ,находится в возбужденном состоянии Z X , поэтому его переход в нормальноесостояние сопровождается испусканием γ -кванта.Когда энергия электронов достигает 10 МэВ, становятся возможнымиреакции типа ( n,2n) .

Например, в результате реакции(Q = 17,6 МэВ) ,A(∗)(Q = 22,4 МэВ) .В реакциях синтеза выделяется значительно больше энергии в расчете на23892 Uодин нуклон, чем в реакциях деления (например, при делении ядра уранавыделяется 200 Мэв, что составляет 0,84 МэВ/нуклон, а в реакции (∗)выделяется 17,6/5=3,5 МэВ/нуклон).А.Н.Огурцов. Физика для студентов23892 U∗1+ 01n → 23792 U + 2 0 n−образуется β -активный изотоп, распадающийся по схемеβ−237237092 U ⎯⎯→ 93 Np + −1 e .Ядерная физика8–168–1718.

Реакции деления ядра.Тяжелое компаунд-ядро, возбужденное при резонансном захватенейтрона, может разделиться на две приблизительно равные части (реакцияделения тяжелых ядер). Образовавшиеся части называются осколкамиделения.Неустойчивостьтяжелыхядеробусловленавзаимнымотталкиванием большого числа протонов, находящихся в ядрах.Пример реакции деления23592 U951+ 01n → 13954 Xe + 38 Sr + 2 0 n .Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделениемэнергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон.

Это следует из того, что удельнаяэнергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в товремя как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ (см. рисунок на стр. 8–3).238Например, при делении ядра урана 92 U , содержащего 238 нуклонов,выделяется энергия порядка 200 МэВ.В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра.Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемойжидкости (а) с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законамквантовой механики.

При захвате нейтрона устойчивость такой заряженнойкапли нарушается, ядро приходит в колебания – попеременно то вытягивается,то сжимается.Вероятностьделения ядер определяется энергией активации– минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деленияядра. При энергиях возбуждения меньших чем энергия активации деления,деформация ядра-капли не доходит до критической (б), ядро не делится ивозвращается в основное энергетическое состояние, испустив γ -квант.При энергиях возбуждения больше энергии активации делениядеформация капли достигает критического значения (в) образуется иудлиняется "перетяжка" в капле (г) и наступает деление (д).Тяжелые ядра способны к делению, если для них выполняется условиеZ 2 A ≥ 17 , где Z 2 A – параметр деления. Это условие выполняется для108всех ядер, начиная с серебра 47 Ag , для которого ZКритическимпараметромделения2A ≈ 20 .называетсяпараметр( Z 2 A) крит = 49 .

Ядра с параметром деления большим критического2Z A > 49 совершенно неустойчивы относительно деления. Такие ядра, еслибы они возникли, мгновенно претерпевали бы деление за времена порядка10–23–10–24с.2При Z A < 49 возможно самопроизвольное (спонтанное) делениеядер, происходящее аналогично α -распаду за счет туннельного эффекта.Однако период полураспада для спонтанного деления ядер составляет1016–1017 лет.Осколки деления в момент своего образования обладают избыткомнейтронов, поскольку для средних ядер число протонов приблизительно равночислу нейтронов ( N Z ≈ 1) , а для тяжелых ядер число нейтронов значительноА.Н.Огурцов. Физика для студентовпревышает число протонов ( N Z ≈ 1,6) . Избыточные нейтроны, испускаемыеосколками, называются нейтронами деления. В среднем на каждый актделения приходится 2,5 испущенных нейтрона.

Большинство из них−14испускается практически мгновенно (t ≤ 10 с) – мгновенные нейтроны, ачасть (~ 0,7%) спустя некоторое время после деления (0,05 c ≤ t ≤ 60 c) –запаздывающие нейтроны.19. Цепная реакция деления.Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления,взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в нихреакцию деления.При этом идет лавинообразное нарастание числа актов деления –начинается цепная реакция деления – ядерная реакция, в которой частицы,вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.Условиемвозникновенияцепнойреакцииявляетсяналичиеразмножающихся нейтронов.Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношениечисла нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу такихнейтронов в предшествующем звене.Необходимое условие развития цепной реакции: k > 1 . Такая реакция называются развивающаяся реакция.

При k = 1 идет самоподдерживающаясяреакция. При k < 1 идет затухающая реакция.Часть вторичных нейтронов не участвует в поддержании цепной реакции –захватывается неделящимися примесями, выходит из зоны реакции беззахвата ядром, теряет энергию в процессах неупругого рассеяния и т. д.Поэтому коэффициент размножения зависит от природы делящегосявещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров иформы активной зоны – пространства, где происходит цепная реакция.Минимальные размеры активной зоны, при которых возможноосуществление цепной реакции, называется критическими размерами.Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системекритических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции,называется критической массой.Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые.

Взрыватомной бомбы – пример неуправляемой реакции. Управляемые цепныереакции осуществляются в ядерных реакторах.20. Ядерные реакторы.В природе имеется три изотопа урана и тория, которые могут служитьядерным топливом или сырьем для его получения:1)2)23592 U23892 U– в естественном уране его содержится примерно 0,7%;– в естественном уране его содержится примерно 99,3% –используется для получения трансуранового элемента плутония посхеме23892 U__ββ239239+ 01n → 23992 U ⎯⎯→ 93 Np ⎯⎯→ 94 Pu .Ядерная физика.