Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Примером реакции, в которой образуется составное ядро, может служить ядерная реакция азота а-частицами некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протоны. Если ядерная реакция протекает быстро, т. е. за время порядка 10 ~ с, сравнимое с временем пролета частицей ядра, то такая реакция называется прямой ядерной реакцией. К наиболее изученным прямым реакциям относятся реакции (п, л), (и, р), (р, л), ( р, р), а также реакции срыва (И, р), (4 л) и обратные им реакции подхвата (р, а'), (л, И).
Фигурирующие здесь названия реакций указывают на механизмы их протекания. Так, в реакции срыва один из нуклонов дейтрона при пролете его вблизи ядра срывается ядром н застревает в нем. В реакции подхвата один из нуклонов ядра подхватывается налетающим нуклоном и вылетает вместе с ним из ядра в виде дейтрона. Существуют, однако, ядерные реакции, которые протекают за время, значительно превышающее время пролета ядра. В этом случае реакция проходит через стадию составного ядра. Механизм осуществления такой ядерной реакции предсказал в 1936 г. Н. Бор.
Ядерная реакция такого типа а+ 4Ве-9 ьС-эл+ ьС, (7.31) которая протекает в альфа-бериллиевом источнике, являющемся одним из важных источников получения быстрых нейтронов в ядерной физике. Устройство такого источника достаточно просто. В герметичную ампулу помещается смесь бериллия с а-активным препаратом — радием яяйа, полонием я4Ро, плутонием 94рп или др. 220 210 239 Внутри ампулы а-частицы вступают в реакцию (7.31), образуя нейтроны с энергией несколько мегаэлектрон-вольт, которые свободно выходят наружу из ампулы.
Стандартный источник испус- 6 кает приблизительно 10 нейтронов в секунду. Выделяющуюся при ядерной реакции энергию Я часто вводят в формулу реакции, записывая реакцию Х(а, Ь)У в виде (7.32) а+Х~Ь+У+Д. Если Д > О, то реакция называется экзотермической, т. е. идущей с выделением энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции. Если же Д < О, то реакция идет с поглощением энергии налетающей частицы и называется эндотермической. Эндотермические реакции обладают порогом.
Так называется минимальная кинетическая энергия относительного движения сталкивающихся частиц, начиная с которой становится возможным протекание ядерной реакции. Эффективное сечение ядерной реакции. Для оценки вероятности возникновения ядерной реакции И Х(а, Ь)У при прохождении пучка частиц а через слой вещества, содержа- а щнй ядра Х, рассмотрим сначала слой вещества площадью Я и толщиной ~х (рис. 7.12). Если концентрацию ядер (атомов) в веществе обозначить и„, то в рассматриваемом слое число таких ядер будет ИМя = пят~.
Рис. 7.12. К определению Частица а, летящая перпендику- эффективного сечения ядерлярно слою вещества, имеет некото- ной реакции рую вероятность принять участие в ядерной реакции с ядром Х, Эту вероятность можно оценить, введя важную характеристику взаимодействия частиц — эффективное сечение ядерной реакции о'. Для пояснения этой характеристики привлечем следующий геометрический подход. Окружим каждое ядро Х мишенью (на рис. 7.12 эти мишени заштрихованы), площадь о которой такова, что если центр пролетающей частицы "заденет" мишень, то произойдет ядерная реакция. Очевидно, что, чем больше о, тем больше вероятность ядерной реакции. Величина ол„Ях = ол„с1т Я представляет собой относительную долю площади 5 слоя, перекрытую мишенями.
Поэтому именно эта величина определяет вероятность йР того, что частица а, налетающая на слой площадью Я, испытает взаимодействие с одним нз ядер, которое приведет к ядерной реакции. Следовательно, (7.33) йР = гтл„дх. Поэтому, если поток частиц, падающих на поверхность за единицу времени, равен 1, то общее число ядерных реакций, происшедших в слое за единицу времени, составит ИР = Лв~,Дх. Следовательно, ослабление пучка частиц при прохождении слоя толщиной 0х определяется из соотношения сУ = — Лтп,Ых. Интегрируя это соотношение, получаем закон ослабления пучка частиц после прохождения слоя толщиной х: У = Хо ехр( — ол„х), где Уо — поток частиц прн х = О.
Таким образом, измеряя ослабление пучка частиц при прохождении слоя вещества толщиной Ы, можно экспериментально определить эффективное сечение ядерной реакции ~о а = — 1п —. и И 1(Н) (7.34) Эффективное сечение ядерной реакции, имеющее размерность площади, измеряют в барнах (1 бари = 10 м ). Эффективное сечение ядерных реакций обычно возрастает при 1 уменьшении энергии налетающих частиц (а- Е з). Для большинства ядерных реакций эффективное сечение составляет 0,1...10,0 бари.
Однако для некоторых реакций, вызываемых мед- 5 ленными нейтронами, о' имеет значение порядка 10 бари. Деление ядер. Наиболее интересными с точки зрения получения ядерной энергии являются реакции деления тяжелых ядер, вызываемые попаданием в ядро нейтрона. Впервые такую ядерную реакцию деления наблюдали в 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман. Они обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются щелочные и щелочноземельные элементы периодической системы — барий, лантан, цезий и др.
Вскоре австрийские физики Л. Мейтнер и О. Фриш показали, что такой эффект связан с делением ядра урана ~зУпод действием нейтрона на два ядра-осколка. Принципиально важной особенностью такой реакции оказывается некоторая перегруженность образующихся атомов нейтронами, в результате чего они выделяют несколько нейтронов деления. Исследования показали, что деление ядра урана может происходить различными способами. Поэтому массы, заряды и энергии возбуждения осколков, образующихся в отдельных актах деления, вообще говоря, могут различаться.
Различно и число нейтронов, выделяющихся при делении тяжелого ядра урана. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 новых нейтронов с энергией 1...3 МэВ. Основная масса нейтронов испускается осколками почти мгновенно, т. е. за время, меньшее 10 ~ с. Однако незначительная доля (около 0,75 %) нейтронов испускается с запаздыванием по времени от 0,5 с до 1 мин. Одна из наиболее вероятных реакций деления ядра урана происходит следующим образом: 93 0 + и — ~ ~~Сз + 37 КЬ + 2п + 200 МэВ. (7.35) Ббльшая часть ядерной энергии этой реакции (около 165 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков.
Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая ее нагрев. Эта нагретая среда н является результатом выделения ядерной энергии. Испускание при делении ядра урана нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции деления. Так называется реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, рождаются сами как продукт реакции. В такой реакции число актов деления растет лавинообразно во времени за счет быстрого возрастания числа нейтронов, способных делить тяжелые ядра.
Пусть, например, в результате реакции деления образуются два нейтрона, которые могут инициировать новые реакции деления. й Тогда один исходный нейтрон в й-м поколении деления породит 2 новых нейтрона. И если время жизни одного поколения составляет порядка 10 ...10 с, то уже через одну микросекунду в среде поя- 80 24 вятся нейтроны 80 поколений в количестве 2 =10 частиц. Эти нейтроны вызовут деление около 140 г урана и высвободят 13 10 Дж энергии, т. е. столько же, сколько выделяется при сгорании тысячи тонн нефти. Итак, цепная ядерная реакция деления наблюдается в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной средой. Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения к. Этот коэффициент равен отношению количества нейтронов в двух последующих поколениях. Если в первом поколении в среде имеется Ф нейтронов, то в и-м поколении их будет Мс".
При х < 1 (подкрнтический режим) число нейтронов со временем не увеличивается н цепная реакция деления не может развиваться. При й = 1 (критический режим) цепная реакция протекает стационарно и число делений в единицу времени в среде остается постоянным. При к > 1 (надкрнтнческий режим) число нейтронов возрастает экспоненциально со временем, что соответствует протеканию неуправляемого ядерного взрыва. Причиной уменьшения коэффициента размножения является прежде всего наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватывать нейтроны. Так, природный уран содержит 99,28 % изотопа 921) и лишь 0,71 % изотопа 921).
Ядро 921) делится 238 235 238 только под действием быстрых нейтронов, энергия которых Е > 1 МэВ. При меньших энергиях нейтроны поглощаются этими ядрами без последующего деления (радиационный захват). Образующееся при этом нестабильное ядро 921) испытывает цепочку 239 радиоактивных превращений 23932 22 3 23993 \2.3 3 2399 2 39~ 92 93 Р 94 Период полураспада плутония составляет десятки тысяч лет. Поэтому его можно считать практически стабильным.
235 На каждое делящееся ядро П в природном уране приходится 238 140 ядер П, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны, не испытывая деления. Поэтому в природном уране цепная реакция развиваться не может. Для того чтобы коэффициент размножения стал больше единицы, необходимо увеличить в уране 235 долю изотопа У. Такой процесс обогащения урана может быть осуществлен методами разделения изотопов, описанными в 7.1.
К уменьшению коэффициента размножения приводит также выход нейтронов из активной среды, имеющей конечные размеры. Так как число рождающихся нейтронов пропорционально объему активной среды, а их вылет увеличивается с увеличением площади поверхности активной зоны, то цепная реакция деления возможна только в достаточно большом объеме активной среды. Например, й для шара радиуса и отношение объема к поверхности равно —. 3 Следовательно, с увеличением и доля вылетающих из активной зоны нейтронов уменьшается. Характерный размер активной зоны, при котором коэффициент размножения становится равным единице, называется критическим размером, а масса делящегося вещества в активной зоне таких размеров называется «рити«ес«ой мпссой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
