goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Если окружить радиоактивный препарат, содержащий фзТ(, толстым слоем тяжелой воды ьзвО, то с поверхности такого устройства будут вылетать нейтроны со средней энергией 0,2 МэВ. Это устройство является источником нейтронов (протоны рассеиваются и тормозятся в воде). Однако эффективное сечение рассматриваемой реакции мало, нейтронное излучение перемешано с ~-лучами, испытавшими в веществе комптоновское рассеяние, или прошедшими через него без взаимодействия. Поэтому в качестве источников нейтронов удобнее использовать другие ядерные реакции (см. $7?).
Реакции резонансного поглощения и резонансного рассеяния 7-квантов. Если энергия 7-лучей меньше энергии связи частиц в ядре, то фотоядерные реакции становятся невозможными. Под действием таких 7-лучей может происходить р е з о н а н с н о е и о г л ощ е н и е 7-квантов с образованием ядер в одном из возможных для него возбужденных состояний. Использование этого процесса является где М вЂ” масса заряженной частицы, в поле которой произошло взаимодействие Этот процесс не относится к ядерным реакциям.
Но его следует учитывать при расчетах ослабления потоков Т-лучей при прохождении их через вещество. В частности, и линейный коэффициент ослабления р, входящий в формулу (6.20), и эффективное сечение ггм входящее в формулу (6.24), в общем случае складываются из трех компонент: ф78. Взлимодвйствия с ядгдми Тлучвй 407 Г Г ъ„-дчэд):— дГу;, +- ,Г ---таз(в -Е уд Е. =-Ц„+Гг'2 ~,'и ! Е.—.Е„,— т„, И.—..Еуд — Т„...
б) и) Рис. 168. Схемы резонансного поглошения и рассеяния 7-квавтов ядрами. Рассмотрим особенности этих процессов (рис. 168). Для перехода ядра А на уровень с энергией Е д в ядро необходимо внести энергию, равную Еу ~ Г,У2, где à — ширина уровня (рис. 168а). При т — 10 зос à — 6 10 в эВ. Если Е = 100 кэВ, то точность, с которой вносимая в ядро энергия должна быть равна энергии уровня (она определяется отношением Г/Еур), составляет 6 10 в,110в = 6. 10 зз. Получить укванты, энергия которых с такой точностью совпадает с Е,, можно только, используя излучение других, уже возбужденных на этот уровень ядер.
Однако и при испускании у-квантов (рис. !676) и при поглошении (рис. !67в) ядра приобретают энергию отдачи. Оценим энергию отдачи для ядер с массовым числом А = 100, находящихся на уровне с энергией Еур — — 100 кзВ и испускаюших .у-кванты. В соответствии с законом сохранения импульса рд„, = рт = Ет,1с = Е г,Ус. Энергия отдачи Т„, = Рдуд72Л1лЕуру2ЛХдс — — о 10эВ.Энергия 2 100 931,5 10 эВ отдачи Тс —,д « Е, но Т„д» Г.
Поэтому энергии испушенных 7-квантов (Е = Е „— Т,у,) не хватит для их резонансного поглощения невозбужденными ядрами (рис. 168в). К тому же для резонансного возбуждения уровня энергия падаюших квантов также должна быть больше энергии уровня на величину, равную Т„д. Г.о., резонансное рассеяние может происходить, только если 2Т,д < Г. Оценки для Г и Тд-д показывают, что зто условие не выполняется.
Поэтому для осушествления резонансного рассеяния были предложены разные методы компенсации энергии отдачи. удобным методом определения не только энергии, но и среднего времени жизни возбужденных состояний и др. его характеристик. Ре з о н а н си о е рассея н не Тквантов сводится к их поглощению (с образованием возбужденных состояний) и последующему испусканию 7-квантов (при этом ядра возвращаются в невозбужденные состояния). ГЛАВА 15 408 Самым эффективным оказался метод, предложенный Мессбауэром в 1958 г.
Он предложил и в качестве излучающих, и в качестве поглощающих ядер использовать ядра, связанные в кристаллической решетке. При излучении т-квантов импульс отдачи может восприниматься всем кристаллом, энергия отдачи в этом случае оказывается очень малой, много меньшей, чем ширина уровня.
В самом деле, при массе кристалла ти = 1 мг и энергии уровня Етр - -100 кэВ, получаем: Етг (10в эВ) 1,6 10 ~ зрг/зВ 2Мсг 2 10' зг (3 10тосм/с)аэрг Эффект Мессбауэра имеет гораздо болыпее значение, чем просто метод изучения характеристик энергетических уровней ядер. Он предоставляет в руки исследователей (не только физиков, но и химиков, биологов и пр.) инструмент, давший возможность проводить различные исследования с огромной точностью, определяемой отношением Г(Ет„. В частности, метод Мессбауэра был использован для доказательства сушествования гравитационных свойств у т-лучей.
Мессбауэровская компенсация энергии отдачи ядер, по-видимому, неизбежна в любых проектах по созданию г а з е р о в — квантовых генераторов;:-лучей. я УЯ. Цепная реакция деления. Проблемы ядерной энергетики Основой ядерной энергетики является процесс деления тяжелых ядер. В $75 мы познакомились с процессом спонтанного деления тяжелых ядер, и выяснили, что этот процесс энергетически выгоден, но ему препятствует потенциальный барьер.
Поэтому процесс идет за счет туннельного эффекта. Массы ядер-осколков настолько велики, что процесс идет очень медленно, с огромными периодами полураспада. Рассмотрим важную характеристику делящихся ядер — з н е р г и ю а к т и в а ц и и. Построим график зависимости (рис. 169) энергии взаимодействия ГГ(г) ядер-осколков от расстояния между ними, считая, что деление уже произошло (график следует строить справа налево). При г = со П(г) = О. Прн сближении осколков ГГ(г) растет из-за их кулоновского отталкивания. При соприкосновении ядер-осколков (г = Яг -', -ь Лз) начинают действовать ядерные силы притяжения, и кривая йг(г) идет вниз.
Она подходит к оси энергии в точке А, определяющей величину энергии 421, выделяющейся при делении. Для ядер с А — —. 230 —:240, как мы уже знаем, 1;17 — 200 МэВ. Отрезок АВ на оси энергий соответствует реальной высоте барьера, который предстоит преодолеть осколкам 3 79. 11шшая геякция далкния. Пяовлвмы ядвгной энкегатики 409 5'(г) О )7 )7 Рис. 169.
Потенциальный барьер, мешающий делению тяжелых ядер. при делении ядра. Энергия, определяемая этим отрезком, и называется энергией активации Е„,. Для расчета этой важной характеристики получено несколько формул. Приведем одну из них; Еаю(МэВ) —. 0,555(46 — У~,ГА). (15.18) Отношение Я-,7А называется п а р а м е т р о м д е л е н и я. От его значения зависит величина энергии активации, У ядер с А = 230 ге 240 параметр У-',ГА = 36гв 37 и Е,ю = б,о —: 5,0 МэВ. Деление ядер под действием нейтронов.
Деление ядер можно вызвать, сообщив им извне энергию, превышающую высоту барьера. Наилучшим образом для этой цели подходит облучение ядер нейтронами, т. к. между нейтронами и ядрами нет кулоновского отталкивания, и нейтроны легко проникают внутрь ядер. Энергия возбуждения составного ядра складывается из энергии связи нейтрона в составном ядре и кинетической энергии нейтрона: Евоао —" есв(А .1- 1) + Ти.
(15.19) (Часть кинетической энергии нейтрона идет яе на возбуждение ядра, а на сообщение ему энергии отдачи, однако, доля этой энергии невелика и ею можно пренебречь.). Рассмотрим захват нейтрона с энергией Т„ ядром изотопа д~зя'1). При захвате образуется возбужденное ядро эаяа1)' При Т„ = 0 его энергия 1 ЛАБА 15 410 возбуждения равна энергии связи нейтрона в составном ядре; Е„па = = вп,Явяв(1). Воспользуемся формулой (14.9) и рассчитаем энергию связи нейтрона в ядре Я~И: г,",(МэВ) = 931 5(МзВгпа.е.м.) (15Хпп(э~~я~(1) + ги„1 — йХ" (~~~~~О))(а.е.м.); после подстановки табличных значений масс атомов и нейтрона получа- ем: Возбужденное ядро может потерять энергию возбуждения путем испускания у-кванта (в этом случае произойдет реакция радиационного захвата нейтрона (п.Г)), или путем испускания нейтрона (тогда произойдет реакция упругого рассеяния нейтрона (пп)).
Кроме этих каналов распада у тяжелых ядер есть возможность разделиться на два (или больше) ядер-осколков (рис. 170). Однако, для того, чтобы этот канал распада стал возможным, нужно, чтобы энергия возбуждения была не меньше высоты потенциального барьера, препятствующего делению, т.е. не меньше энергии активации: Е„,а > Е„,. Если при захвате нейтрона ядром (к, А) энергия связи нейтрона в составном ядре (Я, А + 1) будет больше или равна Е„, этого ядра, то деление оказывается возможным даже на самых медленных нейтронах с Т„= О. Если же Е„п > в,"„то для осуществления реакции деления нейтроны должны иметь энергию, равную или большую и о р о г о в о й энергии: (15.20) п и Йпп пп' Яд. реакция "„',Вч-и — '„".0* — '„'.',1пэ з (п,т) 'к „,В'п (п,п) (г.А )Ь(г„.да) (,Х) Рис.
170. Возможные каналы раап~ада тяжелого возбужденного ядра. Для использования в ядерной энергетике необходимы изотопы, которые делятся на нейтронах любой энергии, т.е. для которых пороговая энергия деления на нейтронах Т„' равна нулю. В природе сущепар ствует только один изотоп, удовлетворяющий этому требованию. Это изотоп 5~~~0. Энергия активации для ядра Я~И, рассчитанная по формуле (15.18), равна 5,6 МэВ. Она меньше, чем ва",Я~О) = 6.4 МэВ, и Т„"" =- О. Однако в естественной смеси изотопов урана на долю э.',в() $ 79. 14впнля гехкция далвния. Пговлвмы ядпшюй энвггвтики 411 приходится всего 0.,72%; изотопы зшз»ьЦ99,28%) и 83~Ц0,006%) на медленных нейтронах не делятся, для них Т,",'~ = 1 МэВ.
Характеристиками, близкими к характеристикам 22~~~1), обладает изотоп плутония д2848Рп (Т; = 24,3 108 л; Т„"'. »'4 = 5,5 10' л). Этот изотоп практически не сохранился в природе, но он с болыпим выходом получается в любом ядерном реакторе, активная зона которого содержит изотоп дз~зз)). Под действием нейтронов идет реакция: 82 1-1 и 22 5 '82 238 288 т4 228 Изотоп э»~1) 13 -активен и распадается по схеме: Полученный эчзэРп может быть выделен из смеси изотопов, которая получается при работе ядерных реакторов. Эти два изотопа — естественный 2881) и искусственный 238Рц — и являются основными изотопами, как для использования в ядерной энергетике, так и для изготовления ядерного оружия.
При облучении изотопа тория ээ»ТЬ медленными нейтронами с большим выходом идет реакция ээ~оть(ггт) — 'и -ээзтй; изотоп э»эзть после 2-х последовательных ~3 -распадов превращается в изотоп э~»»11, у которого, так же, как и у изотопов э»»»811 и 8248эрц, Т,р — — О. Но этот изотоп по некоторым причинам пока не оказал заметного влияния на развитие ядерной энергетики. Продукты реакции деления.
К продуктам реакции деления, кроме ядер-осколков, относятся 4мгновенные» нейтроны и Т-кванты, а также продукты распада ядер-осколков, в том числе и запаздывающие нейтроны. Деление ядер под действием нейтронов осуществляется по 40 различным каналам, причем, как правило, получаются два несимметричных осколка: легкий (изотопы ззВг, ззКг, зтВЬ, ., с А = 90...100) и тяжелый (изотопы ззСз, звВа, 871.а,., с А = 135...145), Пример одного из каналов деления: и. — 22 1) — э'„1 — зе Кг —, зв Ва —; 3п+ песк. ",. 288 288 * зо Из Ядра-ОСКОЛКИ раЗЛЕтаЮтея С СуММарНОй КИНЕтИЧЕСКОй ЭНЕРГИЕЙ ».Т я = 167 Мэв, которая распределяется между ними в соответствии с законом сохранения импульса. При делении ядра д21)228*, как это видно из записи процесса, приведенного в качестве примера, образовалось 3 нейтрона и несколько ",— квантов, Эти частицы испускаются возбужденными ядрами-осколками ГЛАВА 15 412 практически сразу же после их образования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
