8.Ядерная физика (1022109), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Выполняютсятакже законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделениемэнергии) так и эндотермическими (с поглощением энергии).Ядерные реакции протекают в несколько этапов. На первом этапеналетающая частица застревает в ядре-мишени, образуя составное ядро иликомпаунд-ядро, и ее энергия передается не какому-либо нуклону, аравномерно распределяется между всеми частицами составного ядра, так чтони одна из них не получает энергии, достаточной для вылета из ядра.Составное ядро рассматривается как возбужденная статистическая системачастиц, совершающая неупорядоченные движения, подобные движению частицв капле жидкости. В результате случайных отклонений от равномерногораспределения энергии возбуждения между частицами составного ядра накакой-либо одной из них концентрируется энергия, достаточная для вылетаэтой частицы из ядра. Этот второй этап ядерной реакции происходит поистечениивремени(10 7 ÷ 108 ) ⋅ τ Япослепервогоэтапа,гдеτЯ—A2Z2 Y—−22характерное ядерное время (~ 10 c) .Схема ядерной реакции с образованием компаунд-ядра:A1Z1 XгдеA1Z1 X+ a → AZ22 Y→ ZA33 C + b—исходное ядро-мишень, a — налетающая частица,составное ядро,A3Z3 C— ядро — продукт ядерной реакции, b — частица,вылетевшая из ядра в результате реакции.Если a ≡ b , то происходит рассеяние частицы ядром: упругое — приEb = E a , неупругое — при Eb ≠ E a .
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, среднихи высоких 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:144181717 N + 2 He→ 9 F→ 8 O +1 pА.Н.Огурцов.
Лекции по физике.Реакции 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 цикл112001 p +1 p → 1 H + +1 e + 0 ν e ,2131 H +1 p → 2 He+γ ,3342 He + 2 He→ 2 He+ 211p2) углерод-азотный цикл121136 C +1 p → 7 N + γ141157 N +1 p → 8 O + γ,,1313007 N → 6 C + +1 e + 0 ν e ,1515008 O→ 7 N + +1 e + 0 ν e ,131146 C+1 p → 7 N + γ1511247 N + 1 p → 6 C + 2 HeДополнение22.
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,в частности, протон, и нейтрон.
Наиболее известное его проявление —ядерные силы, 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. Гравитационноевзаимодействие предельно слабое и в мире элементарных частиц при обычныхэнергиях непосредственной 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 схеме:β_β_232123323323390Th + 0 n → 90Th → 91 Pa → 92 UЯдерным 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 Li4очень холодные (10тепловые (10−3÷ 0,5 эВ)(∗)(Q = 22,4 МэВ)23892 Uвыделяется 200 Мэв, что составляет 0,84 МэВ/нуклон, а в реакции (∗)выделяется 17,6/5=3,5 МэВ/нуклон).88÷ 10 −4 эВ)÷ 10 −3 эВ)10высокоэнергетичные (10 ÷ 10 эВ)10релятивистские (≥ 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 вещества:A1A+1Z X + 0 n→ Z Y+ γ , например,113111448 Cd + 0 n→ 48 Cd+γПод 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 p101745 B+ 0 n→ 3 Li + 2 He,Но главным образом реакции типа ( n, p ) и ( n,α ) происходят поддействием быстрых нейтронов, т.к. в этом случае энергия достаточна дляпреодоления потенциального барьера, препятствующего вылету протонов и α частиц.Для быстрых нейтронов наблюдается неупругое рассеяние ( n, n′) :где вылетающий из ядра10n,AA ∗ 11Z X + 0 n→ Z X + 0 n′1нейтрон 0 n′ имеетэнергию меньшую энергииа остающееся после вылета нейтрона ядро∗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 реакции238123792 U + 0 n→ 92 UВ реакциях синтеза выделяется значительно больше энергии в расчете наА.Н.Огурцов. Лекции по физике.4быстрые (10 ÷ 10 эВ)эВ)A(Q = 3,3 МэВ)один нуклон, чем в реакциях деления (например, при делении ядра урана−7−7−4холодные (10налетающего нейтрона(Q = 4,0 МэВ)(Q = 17,6 МэВ)ультрахолодные (≤ 10игелию 2 Hе (см. стр. 8-3), что приводит к большому энерговыделению Q :22311 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:+ 2 01n−образуется β -активный изотоп, распадающийся по схемеβ−237237092 U → 93 Np+ −1 eЯдерная 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 деления:23511399592 U + 0 n→ 54 Xe + 38 Sr+ 2 01nДеление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделениемэнергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
