Турчина Н.В. Физика в задачи за кандидати за университети - М.: Оникс, 2008. - 768 с.
ISBN 978-5-94666-452-3
Изтегли(пряка връзка) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Предишна 1 .. 157 > .. >> Следваща

20.5.7. Когато неутронът е резонансно уловен от урановия изотоп 292U, се образува радиоактивният уранов изотоп 239U. Той претърпява P разпад и се превръща в изотоп на трансурановия елемент нептуний 2^Np. Нептуният е P-радиоактивен и се превръща

се превръща в плутоний 94Pu, който играе жизненоважна роля в получаването на ядрена енергия. Запишете описаните ядрени реакции.

20.5.8. Повечето ядрени реакции могат да протичат по няколко начина, наречени „реакционни канали“. Например, когато литиевият изотоп 7Ll е облъчен с протони,

398
да се разделят: а) две еднакви ядра; б) ядро ​​на изотоп на берилий Be и неутрон. Напишете реакциите на посочените „реакционни канали“.

20.5.9. Напишете липсващите символи в следните реакции:

h 27.. ,1 A„, 4TT... 56--, A„56„, 1

а) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; b) 25MP + z X ^ 26Fe + 0 n;

A 1 22 4 27 26 A

в) ZX +iH ^ nNa + 2He; г) 13Al + Y ^ 12Mg + zx*

20.5.10. Елементът ръдърфордий е получен чрез облъчване на плутоний.

94Pu от неонови ядра 10Ne. Напишете реакцията, ако е известно, че освен нея се образуват още четири неутрона.

20.6. Енергия на ядрена реакция

20.6.1. Определете енергията на ядрената реакция 3Li + 1H ^ ^24He.

20.6.2. Определете топлинните ефекти на следните реакции:

а) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; б) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

в) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n; г) 8O + 1 d ^ 7N + 2a.

20.6.3. Каква е минималната енергия, която трябва да притежава a-частицата?

за извършване на ядрената реакция 3Li + 2He ° 5B + 0n?

20.6.4. Намерете енергията на Y-кванта, излъчен по време на ядрена енергия

23 реакции 1H + n^1H + Y.

20.6.5. Когато избухне водородна бомба, възниква термоядрена реакция при образуването на хелиеви атоми 4He от деутерий 1H и тритий 1H.

Напишете ядрена реакция и определете нейната произведена енергия.

20.6.6. Определете енергията на ядрената реакция 4Be +1H^

^14Be+^H. Каква енергия ще се отдели по време на пълната реакция на берилий с маса m = 1 g?

20.6.7. Термоядрената реакция 1h + 2He ^ 4He + ^p протича с освобождаване на енергия E1 = 18,4 MeV. Каква енергия ще се освободи в

реакция 3He + 2He ^ !He + 2^ , ако масовият дефект на ядрото 2He е

Am = 0,006 amu повече от това на ядрото 1H?

399
20.6.8. Използвайки определението за енергия на свързване, покажете, че енергията, необходима за разделянето на ядро ​​C на ядра A и B, може да бъде представена като: Eab = Ec - (Ea + Eb), където Ea, Eb, Ec са енергиите на свързване на съответните ядра . Определете енергията, необходима за разделяне на кислородното ядро ​​16O на алфа частица и въглеродно ядро ​​12C. Енергии на свързване: E16^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12^ =

92,16 MeV.

20.6.9. Реакцията 3Li + 1H ^ 3Li + 1p освобождава енергия Q = 5,028 MeV. Енергията на свързване на ядрото на лития е E1 = 39,2 MeV, на деутерия E2 = 1,72 MeV. Определете масата на литиевото ядро.

20.6.10. При делене на ядра със специфична енергия на свързване є = 8,5 MeV/нуклон се образуват два фрагмента - единият с масово число Ai = 140 и специфична енергия на свързване Єї = 8,3 MeV/нуклон, другият с масово число A2 = 94 и специфична енергия на свързване є2 = = 8,6 MeV. Оценете количеството топлина, което ще се отдели, когато масата m = 1 g на първоначалните ядра се раздели. Пребройте tr = mn =

1.6724 10-27 кг.

20.6.11 г. Ако приемем, че при един акт на делене на урановото ядро ​​235U се освобождава енергия Eo = 200 MeV, определете енергията, отделена при изгарянето на m = 1 kg уран, и масата на въглища mi, термично еквивалентна на 1 kg уран .

20.6.12 г. Когато ядрото на уран 235U се делене, се освобождава енергия Q = 200 MeV. Каква част от останалата енергия на урана е освободената енергия?

20.6.13 г. Определете масовия дебит на ядрено гориво 235U в ядрения реактор на атомна електроцентрала. Топлинна мощност на централата P = 10 MW; неговата ефективност n = 20%. Енергията, освободена по време на едно събитие на делене, е Q = 200 MeV.

20.6.14 г. Намерете мощността на атомна електроцентрала, която консумира m = 220 g изотоп на уран 235U на ден и има коефициент на полезно действие n = 25%. Да приемем, че при едно събитие на делене на 235U се освобождава енергията Q = 200 MeV.

20.6.15 г. За да се стопи алуминий, се използва енергията, освободена по време на разпада на позитрон P на въглеродни изотопи 11C, като всяко въглеродно ядро ​​излъчва един позитрон. Продуктите на разпад не са радиоактивни. Колко въглерод 1I1C е необходим за

топене на M = 100 тона алуминий за i = 30 минути, ако началната температура на алуминия е 0° = 20 °C?

20.6.16 г. Натрий и Na с тегло m = 10 g, подложени на електронен P-разпад, се поставят в ампула в резервоар, съдържащ

400
M = 1000 тона вода. Продуктите на разпад не са радиоактивни. Период

време на разпадане на натрий T = ^ дни. С колко градуса ще се повиши температурата на водата през първия ден от началото на разлагането на натрия?

20.6.17 г. Полоний 84P0 се разпада с излъчване на алфа частица

и образуването на оловни ядра. Продуктите на разпад не са радиоактивни. Полуживотът на полония е T = 140 дни. Каква маса лед, взета при температура 0 = 0 0C, може да се разтопи с помощта на енергията, освободена при разпадането на m = 10 g полоний за време t = 35 дни?

20.7. Ядрени реакции и закони за запазване

20.7.1. Полониевото ядро ​​84P0 в покой изхвърли алфа частица с кинетична енергия Ek = 5,3 MeV. Определете кинетичната енергия на ядрото на отката и общата енергия, освободена по време на a-разпадане.

11.1. Дефиниция и класификация на ядрените реакции.Има различни тълкувания на термина ядрени реакции. В широк смисъл ядрената реакция е всеки процес, който започва със сблъсък на две, по-рядко няколко частици (прости или сложни) и протича, като правило, с участието на силни взаимодействия. Това определение е удовлетворено от ядрени реакциив тесния смисъл на думата, които се разбират като процеси, които започват със сблъсък на проста или сложна частица (нуклон, α- частица, γ-квант) с ядро. Обърнете внимание, че дефиницията на реакция се удовлетворява, като специален случай, чрез разсейване на частици. По-долу са дадени два примера за ядрени реакции.

Исторически, първата ядрена реакция (Ръдърфорд, 1919 г. - откриване на протона):

α + 14 N → 17 O + Р.

Откриване на неутрона (Chadwick, 1932):

α + 9 Be → 12 C + н.

Изследването на ядрените реакции е необходимо за получаване на информация за свойствата на новите ядра и елементарни частици, възбудените състояния на ядрата и др. Не трябва да забравяме, че в микросвета, поради наличието на квантови закони, частица или ядро ​​не могат да бъдат „погледнати“. Следователно основният метод за изследване на микрообектите е изследването на техните сблъсъци, т.е. ядрени реакции. По отношение на приложенията, ядрените реакции са необходими за използване на ядрената енергия, както и за производството на изкуствени радионуклиди.

Ядрените реакции могат да протичат в естествени условия (например във вътрешността на звездите или в космическите лъчи). Но тяхното изследване обикновено се извършва в лабораторни условия, в експериментални съоръжения. За да се осъществят ядрени реакции, е необходимо да се съберат частици или ядра заедно с ядра на разстояния от порядъка на радиуса на действие на ядрените сили. Кулоновата бариера предотвратява приближаването на заредени частици до ядрата. Следователно, за извършване на ядрени реакции върху заредени частици, те използват ускорители, при който частиците, ускорявайки се в електрическо поле, придобиват необходимата енергия за преодоляване на бариерата. Понякога тази енергия е сравнима с енергията на покой на частицата или дори я надвишава: в този случай движението се описва от законите на релативистката механика. В конвенционалните ускорители ( линеен ускорител, циклотрони т.н.) по-тежката от две сблъскващи се частици като правило е в покой, а по-леката се сблъсква с нея. Частица в покой се нарича мишена (Английски- мишена). Нападателите или бомбардировка, частиците не са получили специално наименование на руски (на английски се използва терминът снаряд - projectile). В ускорителите на сблъскващи се лъчи ( колайдери) и двете сблъскващи се частици се движат, така че разделянето на цел и лъч от падащи частици губи смисъл.

Енергията на заредена частица в реакция може да бъде по-малка от височината на кулоновата бариера, какъвто е случаят с класическите експерименти на Дж. Кокрофт и Е. Уолтън, които през 1932 г. изкуствено разделят ядрата на лития, като ги бомбардират с ускорени протони . В техните експерименти проникването на протон в целевото ядро ​​става чрез тунелиране през потенциалната бариера на Кулон (виж Лекция 7). Вероятността за такъв процес, разбира се, е много ниска поради ниската прозрачност на бариерата.

Има няколко начина за символично записване на ядрени реакции, два от които са дадени по-долу:

Колекция от сблъскващи се частици в определено квантово състояние (напр. Ри 7 Li) се наричат входен каналядрена реакция. При сблъсък на едни и същи частици (фиксиран входен канал) в общия случай могат да се появят различни продукти на реакцията. Така при сблъсъци на протони с 7 Li реакциите 7 Li( стр, 2α), 7 Li( стр, н) 7 Be, 7 Li( стр, д) 6 Be и т.н. В този случай говорим за конкуриращи се процеси или за множество изходни канали.

Ядрените реакции често се записват в още по-кратка форма: ( а, b) – т.е. като се посочват само леките частици и не се посочват ядрата, участващи в реакцията. Например записът ( стр, н) означава избиване на неутрон от ядро ​​от протон, ( н, γ ) – поглъщане на неутрон от ядро ​​с излъчване γ - кванти и др.

Класификация на ядрените реакцииможе да се извърши по следните критерии:

I. По вид процес

1) улавяне на радиация: ( н, γ ), (стр, γ )

2) ядрен фотоелектричен ефект: ( γ , н), (γ , стр)

3) нуклон-нуклонни реакции:

а) нокаутиране на нуклон или група нуклони ( н,стр), (стр, α) и т.н.

б) "изпаряване" на нуклони ( стр, 2н), (стр, 2стр) и така нататък.

в) разбивка ( д,стр), (д,н) и пикап ( стр,д), (н,д)

4) разделение: ( н, f), (стр, f), (γ , f)

5) синтез (синтез)

6) нееластично разсейване: ( н,н')

7) еластично разсейване: ( н,н)

II. Въз основа на освобождаването или поглъщането на енергия

1) екзотермични реакции

2) ендотермични реакции

III. Чрез енергията на бомбардиращите частици

1) ниски енергии (< 1 кэВ)

2) средни енергии (1 keV-10 MeV)

3) високи енергии (> 10 MeV)

IV. По масата на бомбардираните ядра

1) върху леки ядра ( А < 50)

2) върху ядра със средна маса (50<А < 100)

3) върху тежки ядра ( А > 100)

V. По вид на бомбардиращите частици

1) върху заредени частици ( стр, д, α и по-тежки йони)

2) върху неутрони

3) върху фотони (фотоядрени реакции)

11.2. Закон за запазване на енергията.За ядрена реакция от най-обща форма

А + б → ° С+ D+E+…

Нека напишем закона за запазване на енергията по отношение на енергиите на покой и кинетичните енергии:

величина Q, дефинирана като разлика в енергията на покой:

Наречен реакционна енергия. Очевидно е, че

Ако Q> 0, тогава тази реакция се нарича екзотермичен. В такъв случай Qе разликата между кинетичните енергии на всички участници в реакцията преди и след разширяване, определени в координатната система, свързана с центъра на инерцията (SCI, или ts-система). Екзотермична реакция може да възникне при всяка стойност на кинетичната енергия на сблъскващи се частици, включително нула.

Ако Q < 0, то реакцию называют ендотермичен. Обратната реакция на екзотермична реакция винаги е ендотермична и обратно. Размер – Q V ts-системае минималната кинетична енергия на сблъскващи се частици, при която все още е възможна реакция, или, прагреакции.

При преминаване към лабораторната координатна система (фиг. 11.1), LCS или просто л-система, при което една от реагиращите частици е в покой - целевата стойност на прага на реакцията E porсе увеличава, защото част от кинетичната енергия отива за движение на инерционния център, който е безполезен за реакцията. Наистина кинетичната енергия на движение на инерционния център може да бъде произволно голяма, но ако частиците са в покой една спрямо друга, реакцията няма да се осъществи.

За определяне на прага на реакция в л-системаНека се възползваме от факта, че масата и следователно енергията на покой са инвариант, т.е. величина, която не зависи от избора на координатна система. защото , след това за произволен брой частици

Ако в разглежданата реакция целта е частица IN, след това в л-система

IN ts-система

Както бе споменато по-горе, прагът е ts-системасъответства на раждането на частиците СЪС, ди т.н. с нулеви кинетични енергии, т.е. и т.н. И . Инвариантна маса в л-система

Инвариантът на масата, съответстващ на прага в ts-система

Ако сега приравним двете получени инварианти за , тогава

. (11.3)

По този начин прагът на ендотермичната реакция винаги е по-голям от енергията на обратната екзотермична реакция Q. Както може да се види от получения израз, колкото по-голяма е масата на целта, толкова по-нисък е прагът за ендотермичната реакция.

11.3. Ролята на орбиталния момент.Ъглов импулс на частица с импулс Р, падащо върху неподвижно ядро, е равно на pb, Където b– параметър за насочване. Според класическите концепции реакция може да възникне само в случаите, когато този параметър на въздействие е по-малък от радиуса на действие на ядрените сили, т.е. b < Р. В квантовата механика стойността на орбиталния импулс

( – дължина на вълната на де Бройл). Тогава неравенството трябва да е в сила

. (11.4)

За неутрон с енергия T= 1 MeV, т.е. сравнима с размера на ядрото. За неутрони и протони с по-ниска енергия тя е много по-голяма. По този начин за частици с ниска и средна енергия неравенството (11.4) е изпълнено, строго погледнато, само при условието л= 0 (по-рядко с л = 1).

Като се вземат предвид квантовите свойства на системата, реакцията е принципно възможна за всяка л, но вероятността за реакция спада рязко, ако връзката (11.4) не е изпълнена. Причината е, че неутроните в този случай трябва да преодолеят центробежната бариера. Но, както беше показано при разглеждането на излъчването на γ-кванти от ядра (лекция 9), коефициентът на прозрачност на центробежната бариера

,

тези. рязко намалява с растежа л. Ако приближението за дълга дължина на вълната вече не е валидно (т.е. бомбардиращите частици имат много висока енергия), взаимодействието също е възможно с л, различен от нула.

11.4. Напречно сечение и добив на ядрена реакция.Количествено описание на ядрените реакции от гледна точка на квантовата механика може да бъде само статистически, т.е. такъв, при който по принцип можем да говорим само за вероятността на самата реакция.Основните вероятностни характеристики на ядрените реакции са разделИ изход, чиято дефиниция е дадена по-долу. Нека, когато потокът от частици падне Авърху тънка (но макроскопична) цел, съдържаща ядра IN, то формира dN Cядра СЪС(фиг. 11.2). Това количество е пропорционално на броя на частиците А, числена плътност на целевите частици n Б(m–3) и целева дебелина dx(m):

.

Разделреакции А + IN → СЪС+ ··· тогава се определя като коефициент на пропорционалност, т.е.

, (11.5)

От определението (11.5) следва, че сечението има размер на площ (m2). В ядрената физика единицата за напречно сечение е 1 хамбар: 1 b = 10 –28 m2.

Визуално напречното сечение може да се разглежда като ефективната площ на целта, при влизане в която частицата предизвиква необходимата реакция. Но поради вълновите свойства на частиците подобна интерпретация има ограничен диапазон на приложимост. Наистина, от гледна точка на квантовата механика, съществува различна от нула вероятност една частица да премине без отклонение през областта, в която върху нея действат сили. Тогава действителното напречно сечение на реакцията ще бъде по-малко от напречното сечение на областта, в която възниква взаимодействието. В този случай, по аналогия с оптиката, се нарича целевото ядро частично прозрачен, или сиво.

При реални физически експерименти не винаги е възможно да се измери напречното сечение на реакцията. Директно измеримата величина е изходреакция, дефинирана като фракцията от частици на лъча, които са реагирали с целевите ядра. Нека изразим добива на реакцията по отношение на нейното напречно сечение, при условие че последното остава постоянно, докато падащите частици преминават през мишената. Брой ядра СЪС, образувани в тънък слой на мишената в резултат на реакция с частици А, равно на

,

Където н 0 – общ брой частици А, уловени на слой дебел dx, N A– брой частици, преминали през слоя без реакция. Оттук . Тогава, в съответствие с (11.5),

Брой частици А, преминавайки през целеви слой с крайна дебелина ч, намираме чрез интегриране на това уравнение:

,

Използвайки дефиницията на реакционния добив като фракция от частици, които са претърпели трансформация, намираме, че

Тънка целсъответства на малък експонентен показател в сравнение с единица. В този случай разширяването на (11.6) в серия на Тейлър дава

11.5. Механизми на ядрените реакции.В допълнение към класификацията, дадена в параграф 11.1., ядрените реакции се различават по време и следователно по механизма на тяхното възникване. Удобно е да се използва ядреното време като времева скала - времето на полета на частица през ядрото: τ аз = 2Р/v≈ 10–22 s (раздел 2.2). Очевидно е, че τ отрова– минималното време, необходимо за извършване на елементарния акт на най-бърза реакция.

Ще използваме следната класификация на реакциите според техния механизъм. Ако времето на елементарното деяние t r ≈ τ отрова, такива реакции се наричат прав. При директните реакции частицата апредава енергия на един или повече нуклони на ядрото А, след което те незабавно напускат ядрото, без да имат време да обменят енергия с останалите:

а + А → b + б.

Ако t r >> τ отрова, тогава реакцията преминава през етапа на образуване съставно ядро:

а + А → СЪС* → b + б.

Концепцията за съставно ядро ​​е въведена във физиката от Н. Бор през 1936 г. Съставно ядро С*– възбудено състояние на ядрото СЪС, и енергията на възбуждане

(11.7)

Където Т а– кинетична енергия на частицата А,W a– енергия на отделянето му от ядрото СЪС. Енергията на възбуждане се разделя между А+ Ануклони на съставното ядро, а средно на нуклон има

. (11.8)

Така всеки от нуклоните поотделно има недостатъчна енергия за излъчване. В резултат на множество сблъсъци частицата А„заплита” се в сърцевината и губи своята индивидуалност. Само след малко t r>> τ отровав резултат на произволно преразпределение на енергия, достатъчно количество енергия може да се концентрира върху един от нуклоните (или група от нуклони). В този случай нуклон (група нуклони) напуска съставното ядро ​​и се разпада.

Приблизително оценете средния живот на съставно ядро С*може да се направи по следния начин. Да приемем, че непосредствено след сблъсъка на частиците има разпределение ненергийни кванти на възбуждане между fеднонуклонни степени на свобода. Общият брой възможни разпределения е

. (11.9)

Извеждането на формула (11.9) може да се илюстрира със следната визуална диаграма: – разпределение нкванти пресича fклетки, отделени една от друга fминус един ред. Общият брой на пермутациите (т.е. общият брой състояния на системата) на всички кръстчета и всички тирета е равен на ( н+ е – 1)! Обаче пермутации само на кръстове и само тирета, чиито числа са еднакви н! И ( е – 1)! съответно не водят до нови състояния. В резултат на това се оказва истинският брой на щатите н!(е – 1)! пъти по-малко.

Нека освен това приемем, за простота на разсъжденията, че реакцията на нуклонна емисия се случва под въздействието на нискоенергийни частици, така че E* ≈ W a. Тогава, за да протече реакцията, е необходимо да се концентрира всичко нкванти при една степен на свобода Броят на състоянията в този случай е просто равен на f. Поведение w = f/жи ще определи вероятността нуклон да избяга от съставно ядро, т.е. реакции.

Енергията на свързване на нуклон с ядро ​​е средно около 8 MeV. Големината на кванта на възбуждане е около 0,5 MeV. Тогава н= 8 MeV/0,5 MeV = 16. Имайки предвид, че в резултат на реакцията отделянето на нуклон най-вероятно е само от външната обвивка, можем да поставим f ≈ н. Замествайки това в (11.9), намираме това

За н= 16 имаме w= 5∙10 –8. Промените в състоянието на ядрото се случват с честота 1/ τ отрова, така че константата на разпадане на съставното ядро λ C* = w /τ отроваи средната продължителност на живота τ С* = 1/λ C*– около 10–14 с. Така че наистина τ С*>> τ отрова.

Може да се отбележи, че съставното ядро ​​не се различава фундаментално от радиоактивното ядро. Освен това има тенденция да губи енергия поради всеки процес, възможен при дадените условия. Един от тези процеси (нуклонна абстракция) вече беше обсъден по-горе. За едно съставно ядро ​​могат да съществуват няколко канала за разпадане едновременно. В допълнение, преходът към основно състояние може да възникне в резултат на излъчване на γ-квант (тази реакция се нарича улавяне на радиация). Излъчването на γ кванти от ядрото става под въздействието на електромагнитни сили, т.е. в ядрената времева скала също е доста бавен (след 10–11–10–7 s – вижте раздел 9.3). По този начин реакциите на радиационно улавяне също протичат през съставното ядро.

Напречното сечение на реакция, протичаща през съставно ядро, може да бъде написано във формата

, (11.11)

Където w b– вероятност за разпадане на съставно ядро чрез канал b, и

Зависимостта на напречното сечение на ядрена реакция от кинетичната енергия на падащите частици се нарича функция на възбуждане.

Свързана информация.

Ядрените реакции са трансформации на атомни ядра при взаимодействие с елементарни частици (включително γ кванти) или помежду си. Символично реакциите се записват като:

X + a→Y + b или X(a,b) Y

където X и Y са началното и крайното ядро, a и b са бомбардиращите и излъчените (или излъчените) частици в ядрената реакция.

При всяка ядрена реакция се спазват законите за запазване на електрическите заряди и масовите числа: сумата от зарядите (и масовите числа) на ядрата и частиците, влизащи в ядрена реакция, е равна на сумата от зарядите (и сумата от масови числа) на крайните продукти (ядра и частици) на реакцията. Законите за запазване на енергията, импулса и ъгловия импулс също са изпълнени.

Ядрените реакции могат да бъдат екзотермични (освобождаване на енергия) или ендотермични (поглъщане на енергия).

Ядрените реакции се класифицират:

1) по вида на участващите в тях частици - реакции под въздействието на неутрони; заредени частици; γ-кванти;

2) според енергията на частиците, които ги предизвикват - реакции при ниски, средни и високи енергии;

3) според вида на участващите в тях ядра - реакции на белите дробове (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) ядра;

4) по характера на протичащите ядрени трансформации - реакции с излъчване на неутрони и заредени частици; реакции на улавяне (в случая на тези реакции съставното ядро ​​не излъчва никакви частици, а преминава в основно състояние, излъчвайки един или повече γ кванта).

Първата ядрена реакция в историята е извършена от Ръдърфорд

1939 г. - О. Хан и Ф. Щрасман откриват деленето на уранови ядра: когато уранът се бомбардира с неутрони, възникват елементи от средната част на периодичната таблица - радиоактивни изотопи на барий (Z = 56), криптон (Z = 36) - фрагменти на делене и др. Деление на тежко ядро, придружено от два фрагмента освобождаване на енергияоколо 1 MeV на нуклон.

Например, има два възможни варианта за реакцията на делене на уранови ядра.

Теорията за деленето на атомните ядра се основава на капков модел на ядрото. Ядрото се разглежда като капка електрически заредена несвиваема течност (а) с плътност, равна на ядрената плътност и подчиняваща се на законите на квантовата механика. Когато неутронът бъде уловен, стабилността на такава заредена капка се нарушава, ядрото влиза в флуктуации- последователно се разтяга и свива. Вероятността за ядрено делене се определя от енергията на активиране - минималната енергия, необходима за извършване на реакция на ядрено делене. При енергии на възбуждане, по-ниски от енергията на активиране на деленето, деформацията на ядрото на капката не достига критична (b), ядрото не се разделя и се връща в своето основно енергийно състояние, излъчвайки γ-квант. При енергии на възбуждане, по-големи от енергията на активиране на деленето, деформацията на капката достига критична стойност (c), в капката се образува и удължава "талията" (d) и се получава делене (e).

Всеки от бързите неутрони, генерирани в реакцията на делене, взаимодействайки със съседните ядра на делящото се вещество, предизвиква реакция на делене в тях. В същото време върви лавинообразеннарастване на броя на събитията на делене – започва верижна реакция на делене - ядрена реакция, при която частиците, предизвикващи реакцията, се образуват като продукти на тази реакция. Условието за възникване на верижна реакция е наличието на размножаващи се неутрони.

Коефициентът на размножаване на неутрони k е съотношението на броя на неутроните, произведени в даден етап на реакция, към броя на тези неутрони в предишния етап.

Необходимо условие за развитие на верижна реакция: k >1. Тази реакция се нарича развиваща се реакция. Когато k =1, възниква самоподдържаща се реакция. На к<1 идет затухающая реакция.

Коефициентът на умножение зависи от природата на делящото се вещество, а за даден изотоп и от неговото количество, както и от размера и формата на активната зона - пространството, в което протича верижната реакция.

Минималните размери на ядрото, при които е възможна верижна реакция, се наричат ​​критични размери.

Минималната маса на делящ се материал, разположен в система с критични размери, необходима за възникване на верижна реакция, се нарича критична маса.

Верижните реакции се делят на контролирани и неконтролируеми. Експлозията на атомна бомба е пример за неконтролирана реакция. В ядрените реактори протичат контролирани верижни реакции.

Устройство, което поддържа контролирана реакция на ядрено делене, се нарича ядрен (или атомен) реактор. Ядрените реактори се използват например в атомни електроцентрали.

Нека разгледаме схемата на реактор с бавни неутрони. Ядреното гориво в такива реактори може да бъде:

1) - естественият уран съдържа приблизително 0,7%;

2), получени от схемата

3), получени от торий съгласно схемата

В активната зона на реактора има горивни елементи, изработени от ядрено гориво (горивни пръти) 1 и модератор 2 (в който неутроните се забавят до топлинни скорости). Горивните елементи са блокове от делящ се материал, затворени в запечатана обвивка, която слабо абсорбира неутрони. Благодарение на енергията, освободена по време на ядреното делене, горивните елементи се нагряват и следователно, за охлаждане, те се поставят в потока на охлаждащата течност 3. Ядрото е заобиколено от рефлектор 4, което намалява изтичането на неутрони. Стационарното състояние на реактора се поддържа с помощта на управляващи пръти 5, направени от материали, които силно абсорбират неутрони, напр.

от бор или кадмий. Охлаждащата течност в реактора е вода, течен натрий и др. Охлаждащата течност в парогенератора отдава топлината си на парата, която постъпва в парната турбина. Турбината върти електрически генератор, токът от който влиза в електрическата мрежа.

Определение 1

Ядрена реакцияв широк смисъл, процес, който възниква в резултат на взаимодействието на няколко сложни атомни ядра или елементарни частици. Ядрени реакции се наричат ​​още тези реакции, при които сред първоначалните частици присъства поне едно ядро, то се свързва с друго ядро ​​или елементарна частица, в резултат на което възниква ядрена реакция и се създават нови частици.

По правило ядрените реакции протичат под действието на ядрени сили. Но ядрената реакция на ядрен разпад под въздействието на $\gamma$ - високоенергийни кванти или бързи електрони се случва под въздействието на електромагнитни, а не на ядрени сили, поради това, че ядрените сили не действат върху фотони и електрони. Ядрените реакции включват процеси, които възникват, когато неутрино се сблъскат с други частици, но те протичат със слабо взаимодействие.

Ядрените реакции могат да протичат в естествени условия (в дълбините на звездите, в космическите лъчи). Изследването на ядрените реакции се извършва в лаборатории, използващи експериментални съоръжения, в които енергията се прехвърля към заредени частици с помощта на ускорители. В този случай по-тежките частици са в покой и се наричат целеви частици. Те се атакуват от по-леки частици, които са част от ускорения лъч. При ускорителите на сблъскващи се лъчи разделянето на мишени и лъчи няма смисъл.

Енергията на положително заредена лъчева частица трябва да бъде от порядъка на или по-голяма от потенциалната бариера на Кулон на ядрото. През 1932 г. J. Cockroft и E. Walton са първите, които изкуствено разделят литиеви ядра, като ги бомбардират с протони, чиято енергия е по-малка от височината на Кулоновата бариера. Проникването на протон в литиевото ядро ​​става чрез тунелен преход през потенциалната бариера на Кулон. За отрицателно заредени и неутрални частици потенциалната бариера на Кулон не съществува и ядрени реакции могат да възникнат дори при топлинните енергии на падащите частици.

Най-често срещаното и визуално обозначение на ядрените реакции е взето от химията. Отляво е сумата от частици преди реакцията, а отдясно е сумата от крайните продукти на реакцията:

описва ядрена реакция, която възниква в резултат на бомбардиране на литиевия изотоп $()^7_3(Li)$ от протони, което води до производството на неутрон и берилиевия изотоп $()^7_4(Be)$.

Ядрените реакции често се записват в символна форма: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, където $A$ е целевото ядро, $a$ е бомбардиращата частица, $bcd\dots и\ B$ - - съответно частици и ядро, които се образуват в резултат на реакция. Реакцията по-горе може да бъде пренаписана като $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Понякога обозначението е $(p,n)$, което означава избиване на неутрон от определено ядро ​​под въздействието на протон.

Количествено описание на реакциите

Количествено описание на ядрените реакции от гледна точка на квантовата механика е възможно само статистически, т.е. можем да говорим за определена вероятност от различни процеси, които характеризират ядрена реакция. Така реакцията $a+A\to b+B$, в чието начално и крайно състояние има по две частици, в това разбиране се характеризира напълно с диференциалното ефективно напречно сечение на разсейване $d\sigma /d\Omega $ вътре в телесния разрез $d\ Омега (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, където $\theta $ и $\varphi $ са полярните и азимуталните ъгли на отклонение на една частица, докато ъгълът $\theta $ се изчислява от началото на движението на бомбардиращата частица. Зависимостта на диференциалното напречно сечение от ъглите $\theta $ и $\varphi $ се нарича ъглово разпределение на частиците, които образуват реакцията. Общото или интегралното напречно сечение, което характеризира интензивността на реакцията, е диференциалното ефективно напречно сечение, интегрирано върху всички стойности на ъглите $\theta $ и $\varphi $:

Ефективното напречно сечение може да се тълкува като област, в която падаща частица ще предизвика дадена ядрена реакция. Ефективното напречно сечение на ядрена реакция се измерва в барни $1\ b=(10)^(-28)\ m^2$.

Ядрените реакции се характеризират с добива на реакцията. Добивът на ядрената реакция $W$ е фракцията на частиците на лъча, които са получили ядрено взаимодействие с целевите частици. Ако $S$ е площта на напречното сечение на лъча, $I$ е плътността на потока на лъча, тогава $N=IS$ частиците падат върху една и съща целева област всяка секунда. Средно $\triangle N=IS\sigma n$ частици реагират от тях за секунда, където $\sigma $ е ефективното напречно сечение за реакцията на частиците на лъча, $n$ е концентрацията на ядрата в мишената. Тогава:

Различни класификации на ядрените реакции

Ядрените реакции могат да бъдат класифицирани според следните характеристики:

• естеството на частиците, които участват в реакцията;
• масовия брой на ядрата, които участват в реакцията;
• зад енергийния (топлинен) ефект;
• върху природата на ядрените трансформации.

Въз основа на енергийната стойност $E$ на частиците, които предизвикват реакции, се разграничават следните реакции:

• при ниски енергии ($E\le 1\keV$);
• при ниски енергии ($1\ keV\le E\le 1\ MeV$);
• при средни енергии ($1\ MeV\le E\le 100\ MeV$);
• при значителни енергии ($100\ MeV\le E\le 1\ GeV)$;
• при високи енергии ($1\ GeV\le E\le 500\ GeV$);
• при свръхвисоки енергии ($E>500\GeV$).

В зависимост от енергията на частицата $a$ за едни и същи ядра $A$ протичат различни трансформации в ядрените реакции. Например, разгледайте реакцията на бомбардиране на флуорен изотоп с неутрони с различни енергии:

Снимка 1.

В зависимост от природата на частиците, които участват в ядрените реакции, те се разделят на следните видове:

• под въздействието на неутрони;
• под въздействието на фотони;
• под въздействието на заредени частици.

Въз основа на масовия брой на ядрата ядрените реакции се разделят на следните видове:

• върху леки ядра ($A
• на средни ядра ($50
• на масивни ядра ($A >100$).

Въз основа на естеството на трансформациите, които се случват в ядрото, реакциите се разделят на:

• улавяне на радиация;
• Кулоново възбуждане;
• ядрено делене;
• реакция на експлозия;
• ядрен фотоелектричен ефект.

При разглеждането на ядрените реакции се използват следните закони:

• закон за запазване на енергията;
• закон за запазване на импулса;
• закон за запазване на електрическия заряд;
• закон за запазване на барионния заряд;
• закон за запазване на лептонния заряд.

Бележка 1

Законите за запазване позволяват да се предскаже кои умствено възможни реакции могат да бъдат реализирани и кои не могат поради неизпълнение на един или повече закони за запазване. В тази връзка законите за запазване играят особено важна роля за ядрените реакции.

Ядрената реакция се характеризира с енергията на ядрената реакция $Q$. Ако реакцията протича с освобождаване на енергия $Q >0$, тогава реакцията се нарича екзотермична; ако реакцията протича с поглъщане на топлина $Q

професор

И.Н.Бекман

ЯДРЕНА ФИЗИКА

Лекция 16. ЯДРЕНИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Развитието на ядрената физика до голяма степен се определя от изследванията в областта на ядрените реакции. В тази лекция ще разгледаме съвременната класификация на ядрените взаимодействия, техните

термодинамика и кинетика, а също така дават някои примери за ядрени реакции.

1. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ЯДРЕНИТЕ РЕАКЦИИ

Поради действието на ядрените сили две частици (две ядра или ядро ​​и нуклон) се приближават на разстояния от порядъка 10 -13 cm влизат в интензивно ядрено взаимодействие помежду си, което води до ядрена трансформация. Този процес се нарича ядрена реакция. По време на ядрена реакция се получава преразпределение на енергията и импулса на двете частици, което води до образуването на няколко други частици, излитащи от мястото на взаимодействие.Когато падаща частица се сблъска с атомно ядро, между тях се обменят енергия и импулс, в резултат на което могат да се образуват няколко частици, които излитат в различни посоки от областта на взаимодействие.

Ядрените реакции са трансформации на атомни ядра при взаимодействие с елементарни частици, γ-кванти или помежду си.

Ядрената реакция е процес на образуване на нови ядра или частици по време на сблъсък на ядра или частици. Ядрената реакция е наблюдавана за първи път от Е. Ръдърфорд през 1919 г., бомбардирайки ядрата на азотните атоми с α частици; тя е открита чрез появата на вторични йонизиращи частици, имащи обхват в газа, по-голям от обхвата на α частици и идентифицирани като протони . Впоследствие бяха получени снимки на този процес с помощта на облачна камера.

Ориз. 1. Процеси, протичащи по време на ядрени реакции

(представени са входните и изходните канали на реакцията).

Първата ядрена реакция е извършена от Е. Ръдърфорд през 1919 г.: 4 He + 14 N→ 17 O + p или 14 N(α,p)17 O. Източникът на α-частици е α-радиоактивно лекарство. Радиоактивните α-лекарства са единствените източници на заредени частици по това време. Първият ускорител, специално предназначен за изучаване на ядрени реакции, е построен от Кокрофт и Уолтън през 1932 г. Този ускорител е първият, който

получава се сноп от ускорени протони и се провежда реакцията p + 7 Li → α + α.

Ядрените реакции са основният метод за изследване на структурата и свойствата на атомните ядра. При ядрените реакции се изучават механизмите на взаимодействие на частиците с атомните ядра и механизмите на взаимодействие между атомните ядра. В резултат на ядрени реакции се получават нови изотопи и химични елементи, които не се срещат в природата. Ако след сблъсък първоначалните ядра и частици се запазват и не се раждат нови, тогава реакцията е еластично разсейване в полето на ядрените сили, придружено само от преразпределение на кинетичната енергия и импулса на частицата и целевото ядро и се нарича потенциал

разсейване.

Последствията от взаимодействието на бомбардиращите частици (ядра) с целевите ядра могат да бъдат:

1) Еластично разсейване, при което не се променя нито съставът, нито вътрешната енергия, а се получава само преразпределение на кинетичната енергия в съответствие със закона за вътрешното въздействие.

2) Нееластично разсейване, при което съставът на взаимодействащите ядра не се променя, но част от кинетичната енергия на бомбардиращото ядро ​​се изразходва за възбуждане на целевото ядро.

3) Всъщност ядрена реакция, в резултат на която се променят вътрешните свойства и състав на взаимодействащите ядра.

	Ориз. 2. Ядрена реакция на литий-6 с деутерий 6 Li(d,α)α
	Ядрените реакции са силни, електромагнитни и слаби
	взаимодействия.
	Известни са много различни видове реакции. Те могат да бъдат класифицирани в
	реакции под влияние на неутрони, под въздействие на заредени частици и под влияние
	Най-общо ядреното взаимодействие може да бъде написано във формата
	a1 + a2 → b1 + b2 + …,
	където a 1 и a 2 са частици, които реагират, а b 1, b 2, ... са частици,
образувани в резултат на реакция (продукти на реакцията).
	Най-често срещаният тип реакция е взаимодействието на лека частица a с ядро ​​A, в
в резултат на което се образуват лека частица b и ядро ​​B
	a + A → b + B
	Или по-кратко
	A(a,b)B.

Неутрон (n), протон (p), α-частица, деутерон (d) и γ-квант могат да бъдат взети като a и b.

Пример 1. Ядрена реакция

4 He + 14 N→ 17 O+ 1 H

V съкратена форма се пише като 14N(α,p)17O

Пример 2. Разгледайте реакцията 59 Co(p,n). Какъв е продуктът на тази реакция? Решение. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z C

от лявата страна имаме 27+1 протон. От дясната страна са 0+X протони, където X е атомният номер на продукта. Очевидно X = 28 (Ni). От лявата страна има 59+1 нуклона, а от дясната страна има 1+Y нуклона, където Y = 59. Така реакционният продукт е 59 Ni.

Реакцията може да протече по няколко конкурентни пътя:

Различните възможни пътища за протичане на ядрена реакция във втория етап се наричат ​​реакционни канали. Началният етап на реакцията се нарича входящ канал.

Ориз. 3. Канали на взаимодействие на протони с 7 Li.

Последните два реакционни канала в схема (6) се отнасят за случаите на нееластично (A * + a) и еластично (A + a) ядрено разсейване. Това са специални случаи на ядрено взаимодействие, различаващи се от другите по това, че реакционните продукти съвпадат с частици,

реагира, а при еластично разсейване се запазва не само видът на ядрото, но и вътрешното му състояние, а при нееластичното разсейване вътрешното състояние на ядрото се променя (ядрото преминава във възбудено състояние). Възможността за различни реакционни канали се определя от падащата частица, нейната енергия и ядро.

При изучаване на ядрена реакция е от интерес да се идентифицират каналите на реакцията, сравнителната вероятност за нейното възникване през различни канали при различни енергии на падащи частици, енергията и ъгловото разпределение на получените частици, както и тяхното вътрешно състояние (енергия на възбуждане , спин, паритет, изотопен спин).