Turchina N.V. Fizika užduotyse stojantiesiems į universitetus - M.: Oniksas, 2008. - 768 p.
ISBN 978-5-94666-452-3
parsisiųsti(tiesioginė nuoroda) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Ankstesnis 1 .. 157 > .. >> Kitas

20.5.7. Kai neutroną rezonansiškai pagauna urano izotopas 292U, susidaro radioaktyvusis urano izotopas 239U. Jame vyksta P skilimas ir virsta transurano elemento neptūno 2^Np izotopu. Neptūnas yra P-radioaktyvus ir virsta

paverčiamas plutoniu 94Pu, kuris atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį gaunant branduolinę energiją. Užrašykite aprašytas branduolines reakcijas.

20.5.8. Dauguma branduolinių reakcijų gali vykti keliais būdais, vadinamais „reakcijos kanalais“. Pavyzdžiui, kai ličio izotopas 7Ll apšvitinamas protonais,

398
padalinti: a) du vienodus branduolius; b) berilio izotopo branduolys Be ir neutronas. Parašykite nurodytų „reakcijos kanalų“ reakcijas.

20.5.9. Užrašykite trūkstamus simbolius šiose reakcijose:

h 27.. ,1 A„, 4TT... 56--, A„56„, 1

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

A 1 22 4 27 26 A

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

20.5.10. Elementas ruterfordis buvo gautas švitinant plutonį.

94Pu neoniniais branduoliais 10Ne. Parašykite reakciją, jei žinoma, kad be jos susidaro dar keturi neutronai.

20.6. Branduolinės reakcijos energija

20.6.1. Nustatykite branduolinės reakcijos energiją 3Li + 1H ^ ^ 24He.

20.6.2. Nustatykite šių reakcijų šiluminį poveikį:

a) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; b) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

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

20.6.3. Kokią mažiausią energiją turi turėti a dalelė?

atlikti branduolinę reakciją 3Li + 2He ° 5B + 0n?

20.6.4. Raskite Y kvanto energiją, išsiskiriančią branduolio metu

23 reakcijos 1H + n^1H + Y.

20.6.5. Sprogus vandenilinei bombai, įvyksta termobranduolinė reakcija, kai iš deuterio 1H ir tričio 1H susidaro helio atomai 4He.

Parašykite branduolinę reakciją ir nustatykite jos energiją.

20.6.6. Nustatykite branduolinės reakcijos 4Be +1H^ energiją

^14Be+^H. Kokia energija išsiskirs visiškai reaguojant beriliui, kurio masė m = 1 g?

20.6.7. Termobranduolinė reakcija 1h + 2He ^ 4He + ^p vyksta, kai išsiskiria energija E1 = 18,4 MeV. Kokia energija išsiskirs

reakcija 3He + 2He ^ !He + 2^ , jei 2He branduolio masės defektas yra

Am = 0,006 amu daugiau nei 1H branduolio?

399
20.6.8. Naudodamiesi surišimo energijos apibrėžimu parodykite, kad energija, reikalinga branduoliui C padalinti į branduolius A ir B, gali būti pavaizduota taip: Eab = Ec - (Ea + Eb), kur Ea, Eb, Ec yra atitinkamų branduolių rišimosi energijos. . Nustatykite energiją, reikalingą deguonies branduoliui 16O atskirti į alfa dalelę ir anglies branduolį 12C. Surišimo energijos: E16^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12^ =

92,16 MeV.

20.6.9. Reakcija 3Li + 1H ^ 3Li + 1p išskiria energiją Q = 5,028 MeV. Ličio branduolio surišimo energija E1 = 39,2 MeV, deuterio E2 = 1,72 MeV. Nustatykite ličio branduolio masę.

20.6.10. Kai branduoliai, kurių specifinė rišimosi energija є = 8,5 MeV/nukleonui dalijasi, susidaro du fragmentai - vienas masės skaičius Ai = 140 ir savitoji surišimo energija Єї = 8,3 MeV/nukleonas, kitas masės skaičius A2 = 94 ir specifinė rišimosi energija є2 = = 8,6 MeV. Įvertinkite šilumos kiekį, kuris išsiskirs, padalijus pradinių branduolių masę m = 1 g. Skaičiuokite tr = mn =

1,6724 10-27 kg.

20.6.11. Darant prielaidą, kad per vieną urano branduolio 235U dalijimosi aktą išsiskiria energija Eo = 200 MeV, nustatykite energiją, išsiskiriančią deginant m = 1 kg urano, ir anglies masę mi, termiškai atitinkančią 1 kg urano. .

20.6.12. Skilus urano 235U branduoliui, išsiskiria Q = 200 MeV energija. Kokia likusios urano energijos dalis yra išsiskirianti energija?

20.6.13. Nustatykite 235U branduolinio kuro masės srautą atominės elektrinės branduoliniame reaktoriuje. Elektrinės šiluminė galia P = 10 MW; jo efektyvumas n = 20%. Vieno dalijimosi įvykio metu išsiskirianti energija yra Q = 200 MeV.

20.6.14. Raskite atominės elektrinės, kuri per parą sunaudoja m = 220 g urano izotopo 235U ir kurios naudingumo koeficientas n = 25%, galią. Tarkime, kad per vieną 235U dalijimosi įvykį išsiskiria Q = 200 MeV energija.

20.6.15. Aliuminiui išlydyti naudojama energija, išsiskirianti anglies izotopų 11C ​​pozitrono P skilimo metu, kiekvienas anglies branduolys išskiria po vieną pozitroną. Skilimo produktai nėra radioaktyvūs. Kiek anglies 1I1C reikia

lydantis M = 100 tonų aliuminio per i = 30 minučių, jei pradinė aliuminio temperatūra yra 0° = 20 °C?

20.6.16. Natris ir Na, sveriantys m = 10 g, elektroniniu būdu skaidomi P, dedami į ampulę talpykloje, kurioje yra

400
M = 1000 tonų vandens. Skilimo produktai nėra radioaktyvūs. Laikotarpis

natrio skilimo laikas T = ^ dienos. Kiek laipsnių vandens temperatūra pakils per pirmąją parą nuo natrio skilimo pradžios?

20.6.17. Polonis 84P0 skyla išskirdamas alfa dalelę

ir švino branduolių susidarymas. Skilimo produktai nėra radioaktyvūs. Polonio pusinės eliminacijos laikas yra T = 140 dienų. Kokios masės ledo, paimto 0 = 0 0C temperatūroje, galima ištirpti naudojant energiją, išsiskiriančią irstant m = 10 g polonio per laiką t = 35 dienas?

20.7. Branduolinės reakcijos ir išsaugojimo dėsniai

20.7.1. Polonio branduolys 84P0 ramybės būsenoje išstūmė alfa dalelę, kurios kinetinė energija Ek = 5,3 MeV. Nustatykite atatrankos branduolio kinetinę energiją ir bendrą energiją, išsiskiriančią a-skilimo metu.

11.1. Branduolinių reakcijų apibrėžimas ir klasifikavimas. Yra įvairių termino interpretacijų branduolinės reakcijos. Plačiąja prasme branduolinė reakcija yra bet koks procesas, kuris prasideda susidūrus dviem, retai kelioms dalelėms (paprastoms ar sudėtingoms) ir paprastai vyksta dalyvaujant stipriai sąveikai. Šį apibrėžimą tenkina branduolinės reakcijos siaurąja to žodžio prasme, kurie suprantami kaip procesai, prasidedantys paprastos ar sudėtingos dalelės (nukleono, α- dalelė, γ-kvantinė) su branduoliu. Atkreipkite dėmesį, kad reakcijos apibrėžimą, kaip ypatingą atvejį, tenkina dalelių sklaida. Žemiau pateikiami du branduolinių reakcijų pavyzdžiai.

Istoriškai pirmoji branduolinė reakcija (Rutherfordas, 1919 m. – protono atradimas):

α + 14 N → 17 O + R.

Neutrono atradimas (Chadwick, 1932):

α + 9 Be → 12 C + n.

Branduolinių reakcijų tyrimas būtinas norint gauti informacijos apie naujų branduolių ir elementariųjų dalelių savybes, sužadintas branduolių būsenas ir kt. Neturėtume pamiršti, kad mikropasaulyje dėl kvantinių dėsnių buvimo į dalelę ar branduolį negalima „žiūrėti“. Todėl pagrindinis mikroobjektų tyrimo metodas yra jų susidūrimų, t.y. branduolinių reakcijų, tyrimas. Kalbant apie pritaikymą, branduolinės reakcijos reikalingos naudojant branduolinę energiją, taip pat gaminant dirbtinius radionuklidus.

Branduolinės reakcijos gali vykti natūraliomis sąlygomis (pavyzdžiui, žvaigždžių viduje arba kosminiuose spinduliuose). Bet jų tyrimas dažniausiai atliekamas laboratorinėmis sąlygomis, eksperimentinėse patalpose. Branduolinėms reakcijoms atlikti būtina daleles ar branduolius kartu su branduoliais suvesti tokiais atstumais, kaip branduolinių jėgų veikimo spindulys. Kulono barjeras neleidžia įkrautoms dalelėms priartėti prie branduolių. Todėl jie naudoja branduolines reakcijas su įkrautomis dalelėmis greitintuvai, kuriame dalelės, įsibėgėdamos elektriniame lauke, įgauna energijos, reikalingos barjerui įveikti. Kartais ši energija yra palyginama su likusia dalelės energija arba net ją viršija: šiuo atveju judėjimas apibūdinamas reliatyvistinės mechanikos dėsniais. Įprastuose greitintuvuose ( linijinis greitintuvas, ciklotronas tt) sunkesnė iš dviejų susidūrusių dalelių, kaip taisyklė, yra ramybės būsenoje, o lengvesnė – su ja. Ramybės būsenos dalelė vadinama taikinys (Anglų– tikslas). Užpuolikai arba bombardavimas, dalelės rusiškai negavo specialaus pavadinimo (anglų kalba vartojamas terminas projectile - projectile). Esant susidūrimo šviesos greitintuvams ( susidūrimai) abi susiduriančios dalelės juda, todėl dalijimasis į taikinį ir krintančių dalelių pluoštą praranda prasmę.

Įkrautos dalelės energija reakcijoje gali būti mažesnė už Kulono barjero aukštį, kaip buvo klasikiniuose J. Cockcroft ir E. Walton eksperimentuose, kurie 1932 metais dirbtinai suskaidė ličio branduolius, bombarduodami juos pagreitėjusiais protonais. . Jų eksperimentuose protonas prasiskverbė į tikslinį branduolį tuneliu per Kulono potencialo barjerą (žr. 7 paskaitą). Tokio proceso tikimybė, žinoma, yra labai maža dėl mažo barjero skaidrumo.

Yra keletas būdų simboliškai parašyti branduolines reakcijas, du iš jų pateikti žemiau:

Susidūrusių dalelių rinkinys tam tikroje kvantinėje būsenoje (pavyzdžiui, R ir 7 Li) vadinami įvesties kanalas branduolinė reakcija. Tų pačių dalelių (fiksuoto įvesties kanalo) susidūrimo metu paprastai gali atsirasti skirtingų reakcijos produktų. Taigi, susidūrus protonams su 7 Li, reakcijos 7 Li ( p, 2α), 7 Li( p, n) 7 Be, 7 Li( p, d) 6 Be ir tt Šiuo atveju kalbame apie konkuruojančius procesus arba apie aibę išvesties kanalai.

Branduolinės reakcijos dažnai rašomos dar trumpesne forma: ( a, b) - t.y. nurodant tik šviesiąsias daleles ir nenurodant reakcijoje dalyvaujančių branduolių. Pavyzdžiui, įrašas ( p, n) reiškia neutrono išmušimą iš branduolio protonu, ( n, γ ) – neutrono sugertis branduolyje su emisija γ - kvantai ir kt.

Branduolinių reakcijų klasifikacija gali būti atliekamas pagal šiuos kriterijus:

I. Pagal proceso tipą

1) radiacijos gaudymas: ( n, γ ), (p, γ )

2) branduolinis fotoelektrinis efektas: ( γ , n), (γ , p)

3) nukleono-nukleono reakcijos:

a) nukleono ar nukleonų grupės išmušimas ( n,p), (p, α) ir kt.

b) nukleonų „išgarinimas“ ( p, 2n), (p, 2p) ir taip toliau.

c) suskirstymas ( d,p), (d,n) ir paėmimas ( p,d), (n,d)

4) padalijimas: ( n, f), (p, f), (γ , f)

5) sintezė (sintezė)

6) neelastinga sklaida: ( n,n')

7) elastinga sklaida: ( n,n)

II. Remiantis energijos išsiskyrimu arba įsisavinimu

1) egzoterminės reakcijos

2) endoterminės reakcijos

III. Pagal bombarduojančių dalelių energiją

1) maža energija (< 1 кэВ)

2) vidutinės energijos (1 keV-10 MeV)

3) didelės energijos (> 10 MeV)

IV. Pagal bombarduojamų branduolių masę

1) ant lengvųjų branduolių ( A < 50)

2) ant vidutinės masės branduolių (50<A < 100)

3) ant sunkiųjų branduolių ( A > 100)

V. Pagal bombarduojančių dalelių tipą

1) ant įkrautų dalelių ( p, d, α ir sunkesni jonai)

2) ant neutronų

3) ant fotonų (fotobranduolinės reakcijos)

11.2. Energijos tvermės dėsnis. Bendriausios formos branduolinei reakcijai

A + B → C+ D+E+…

Parašykime energijos tvermės dėsnį ramybės energijos ir kinetinės energijos atžvilgiu:

Didumas K, apibrėžiamas kaip likusios energijos skirtumas:

paskambino reakcijos energija. Tai akivaizdu

Jeigu K> 0, tada ši reakcija vadinama egzoterminis. Tokiu atveju K yra skirtumas tarp visų reakcijos dalyvių kinetinės energijos prieš ir po plėtimosi, apibrėžtos koordinačių sistemoje, susietoje su inercijos centru (SCI, arba ts-sistema). Egzoterminė reakcija gali įvykti esant bet kokiai susidūrusių dalelių kinetinės energijos vertei, įskaitant nulį.

Jeigu K < 0, то реакцию называют endoterminė. Egzoterminės reakcijos atvirkštinė reakcija visada yra endoterminė, ir atvirkščiai. Dydis – K V ts-sistema yra mažiausia susidūrusių dalelių kinetinė energija, kuriai esant reakcija vis dar įmanoma, arba slenkstis reakcijos.

Pereinant prie laboratorinės koordinačių sistemos (11.1 pav.), LCS, arba tiesiog l-sistema, kurioje viena iš reaguojančių dalelių yra ramybės būsenoje – tikslinė reakcijos slenksčio reikšmė E por didėja, nes dalis kinetinės energijos atitenka reakcijai nenaudingam inercijos centro judėjimui. Iš tiesų, inercijos centro judėjimo kinetinė energija gali būti savavališkai didelė, tačiau jei dalelės viena kitos atžvilgiu yra ramybės būsenoje, reakcija neįvyks.

Norėdami nustatyti reakcijos slenkstį l-sistema Pasinaudokime tuo, kad masė, taigi ir poilsio energija, yra nekintamas, t.y. dydis, kuris nepriklauso nuo koordinačių sistemos pasirinkimo. Nes , tada bet kokiam dalelių skaičiui

Jei nagrinėjamoje reakcijoje taikinys yra dalelė IN, tada į l-sistema

IN ts-sistema

Kaip minėta aukščiau, riba yra ts-sistema atitinka dalelių gimimą SU, D ir tt su nuline kinetine energija, t.y. ir tt Ir . Masės invariantas in l-sistema

Masės invariantas, atitinkantis slenkstį in ts-sistema

Jei dabar sulyginsime du gautus invariantus , Tada

. (11.3)

Taigi endoterminės reakcijos slenkstis visada yra didesnis nei atvirkštinės egzoterminės reakcijos energija K. Kaip matyti iš gautos išraiškos, kuo didesnė taikinio masė, tuo mažesnė endoterminės reakcijos slenkstis.

11.3. Orbitos impulso vaidmuo. Kampinis momentas dalelės su impulsu R, patenkantis į nejudantį branduolį, yra lygus pb, Kur b– taikymo parametras. Remiantis klasikinėmis sampratomis, reakcija gali įvykti tik tais atvejais, kai šis smūgio parametras yra mažesnis už branduolinių jėgų veikimo spindulį, t.y. b < R. Kvantinėje mechanikoje orbitos impulso vertė

( – de Broglie bangos ilgis). Tada nelygybė turi išsilaikyti

. (11.4)

Už neutroną su energija T= 1 MeV, t.y. panašus į branduolio dydį. Mažesnės energijos neutronams ir protonams jis yra daug didesnis. Taigi mažos ir vidutinės energijos dalelėms nelygybė (11.4) tenkinama, griežtai tariant, tik esant sąlygai l= 0 (rečiau su l = 1).

Atsižvelgiant į sistemos kvantines savybes, reakcija iš esmės galima bet kuriai l, bet reakcijos tikimybė smarkiai sumažėja, jei santykis (11.4) netenkinamas. Priežastis ta, kad neutronai šiuo atveju turi įveikti išcentrinį barjerą. Tačiau, kaip buvo parodyta nagrinėjant branduolių γ-kvantų emisiją (9 paskaita), išcentrinio barjero skaidrumo koeficientas

,

tie. augant smarkiai mažėja l. Jei ilgosios bangos ilgio aproksimacija nebegalioja (t. y. bombarduojančios dalelės turi labai didelę energiją), sąveika taip pat įmanoma su l, skiriasi nuo nulio.

11.4. Branduolinės reakcijos skerspjūvis ir išeiga. Kiekybinis branduolinių reakcijų aprašymas kvantinės mechanikos požiūriu gali būti tik statistiniai, t.y. tokia, kurioje iš principo galime kalbėti tik apie pačios reakcijos tikimybę.Pagrindinės tikimybinės branduolinių reakcijų charakteristikos yra skyrius Ir išeiti, kurio apibrėžimas pateiktas toliau. Leiskite, kai dalelių srautas krenta A ant plono (bet makroskopinio) taikinio, kuriame yra branduoliai IN, jis susidaro dN Cšerdys SU(11.2 pav.). Šis kiekis yra proporcingas dalelių skaičiui A, tikslinių dalelių skaičiaus tankis n B(m–3) ir tikslinį storį dx(m):

.

Skyrius reakcijos A + IN → SU Tada + ··· apibrėžiamas kaip proporcingumo koeficientas, t.y.

, (11.5)

Iš apibrėžimo (11.5) matyti, kad atkarpos plotas yra (m2). Branduolinėje fizikoje skerspjūvio vienetas yra 1 tvartas: 1 b = 10 –28 m2.

Vizualiai skerspjūvis gali būti laikomas efektyviu taikinio plotu, į kurį patekusi dalelė sukelia reikiamą reakciją. Tačiau dėl dalelių banginių savybių toks aiškinimas yra ribotas. Iš tiesų, kvantinės mechanikos požiūriu, yra ne nulinė tikimybė, kad dalelė be deformacijos praeis per sritį, kurioje ją veikia jėgos. Tada tikrasis reakcijos skerspjūvis bus mažesnis nei srities, kurioje vyksta sąveika, skerspjūvis. Šiuo atveju pagal analogiją su optika vadinamas tikslinis branduolys iš dalies skaidrus, arba pilka.

Realiuose fizikiniuose eksperimentuose ne visada įmanoma išmatuoti reakcijos skerspjūvį. Tiesiogiai išmatuojamas dydis yra išeiti reakcija, apibrėžiama kaip pluošto dalelių, kurios reagavo su tiksliniais branduoliais, dalis. Reakcijos išeigą išreikškime jos skerspjūviu, su sąlyga, kad pastarasis išlieka pastovus, kai krintančios dalelės praeina pro taikinį. Šerdžių skaičius SU, susidaręs ploname taikinio sluoksnyje dėl reakcijos su dalelėmis A, lygus

,

Kur N 0 – bendras dalelių skaičius A, sugauti sluoksnio storio dx, N A– per sluoksnį be reakcijos praeinančių dalelių skaičius. Iš čia . Tada pagal (11.5)

Dalelių skaičius A, einantis per baigtinio storio tikslinį sluoksnį h, randame integravę šią lygtį:

,

Naudodami reakcijos išeigos apibrėžimą kaip dalelių, kurios patyrė transformaciją, dalį, mes nustatome, kad

Plonas taikinys atitinka mažą eksponentą, palyginti su vienetu. Šiuo atveju išplečiant (11.6) į Taylor seriją gaunama

11.5. Branduolinių reakcijų mechanizmai. Be 11.1 punkte pateiktos klasifikacijos, branduolinės reakcijos skiriasi laiku, taigi ir jų atsiradimo mechanizmu. Kaip laiko skalę patogu naudoti branduolinį laiką - dalelės skrydžio per branduolį laiką: τ I = 2R/v≈ 10–22 s (2.2 skirsnis). Tai akivaizdu τ nuodai– minimalus laikas, reikalingas elementariam greičiausios reakcijos veiksmui atlikti.

Naudosime tokią reakcijų klasifikaciją pagal jų mechanizmą. Jei elementaraus veiksmo laikas t r ≈ τ nuodai, tokios reakcijos vadinamos tiesiai. Tiesioginių reakcijų atveju dalelė a perduoda energiją vienam ar keliems branduolio nukleonams A, po kurio jie iškart palieka šerdį, neturėdami laiko keistis energija su likusiais:

a + A → b + B.

Jeigu t r >> τ nuodai, tada reakcija vyksta formavimo etape sudėtinis branduolys:

a + A → SU* → b + B.

Sudėtinio branduolio sąvoką į fiziką įvedė N. Bohras 1936 m. Sudėtinis branduolys SU*– sužadinta branduolio būsena SU, ir sužadinimo energija

(11.7)

Kur T a– dalelės kinetinė energija A,W a– jo atsiskyrimo nuo branduolio energija SU. Sužadinimo energija yra padalinta tarp A+ A junginio branduolio nukleonų, o vidutiniškai vienam nukleonui yra

. (11.8)

Taigi kiekvienas iš nukleonų atskirai neturi pakankamai energijos emisijai. Dėl daugelio susidūrimų dalelė A„įsipainioja“ į šerdį ir praranda savo individualumą. Tik po kurio laiko t r>> τ nuodai dėl atsitiktinio energijos perskirstymo viename iš nukleonų (arba nukleonų grupėje) gali būti sutelktas pakankamas energijos kiekis. Šiuo atveju nukleonas (nukleonų grupė) palieka junginio branduolį ir suyra.

Apytiksliai įvertinkite vidutinį junginio branduolio gyvavimo laiką SU* galima atlikti taip. Tarkime, kad iš karto po dalelių susidūrimo yra pasiskirstymas n sužadinimo energijos kvantai tarp f vieno branduolio laisvės laipsniai. Bendras galimų paskirstymų skaičius yra

. (11.9)

(11.9) formulės išvedimą galima iliustruoti tokia vaizdine diagrama: – pasiskirstymas n kvantai kerta f ląstelės atskirtos viena nuo kitos f minus viena eilutė. Bendras visų kryžių ir brūkšnelių permutacijų skaičius (ty bendras sistemos būsenų skaičius) yra lygus ( n+ f – 1)! Tačiau tik kryželių ir tik brūkšnelių permutacijos, kurių skaičiai yra lygūs n! Ir ( f – 1)! atitinkamai neveda į naujas būsenas. Dėl to tikrasis valstybių skaičius pasirodo n!(f – 1)! kartų mažiau.

Darykime prielaidą, kad samprotavimo paprastumas, kad nukleonų emisijos reakcija vyksta veikiant mažos energijos dalelėms, todėl E* ≈ W a. Tada, kad reakcija vyktų, reikia viską sukoncentruoti n kvantai esant vienam laisvės laipsniui.Būsenų skaičius šiuo atveju tiesiog lygus f. Požiūris w = f/g ir nustatys tikimybę, kad nukleonas ištrūks iš sudėtinio branduolio, t.y. reakcijos.

Nukleono jungimosi energija su branduoliu yra vidutiniškai apie 8 MeV. Sužadinimo kvanto dydis yra apie 0,5 MeV. Tada n= 8 MeV/0,5 MeV = 16. Atsižvelgiant į tai, kad dėl reakcijos nukleonas greičiausiai atsiskiria tik nuo išorinio apvalkalo, galime dėti f ≈ n. Pakeitę tai į (11.9), randame tai

Dėl n= 16 turime w= 5∙10 –8. Branduolio būklės pokyčiai vyksta 1/ τ nuodai, taigi junginio branduolio skilimo konstanta λ C* = w /τ nuodai, ir vidutinis gyvenimo laikas τ С* = 1/λ C*– apie 10–14 s. Taigi tikrai τ С*>> τ nuodai.

Galima pastebėti, kad jungtinis branduolys iš esmės nesiskiria nuo radioaktyvaus branduolio. Jis taip pat linkęs prarasti energiją dėl bet kokio proceso, įmanomo tam tikromis sąlygomis. Vienas iš šių procesų (nukleonų abstrakcija) jau buvo aptartas aukščiau. Sudėtiniame branduolyje vienu metu gali egzistuoti keli skilimo kanalai. Be to, perėjimas į pagrindinę būseną gali įvykti dėl γ kvanto emisijos (ši reakcija vadinama radiacijos gaudymas). Branduolio γ kvantų emisija vyksta veikiant elektromagnetinėms jėgoms, t.y. branduolinėje laiko skalėje taip pat gana lėtas (po 10–11–10–7 s – žr. 9.3 skyrių). Taigi spinduliuotės gaudymo reakcijos vyksta ir per junginio branduolį.

Reakcijos, vykstančios per junginio branduolį, skerspjūvis gali būti parašytas forma

, (11.11)

Kur w b– junginio branduolio skilimo tikimybė per kanalą b, ir

Branduolinės reakcijos skerspjūvio priklausomybė nuo krintančių dalelių kinetinės energijos vadinama sužadinimo funkcija.

Susijusi informacija.

Branduolinės reakcijos – tai atominių branduolių transformacijos, kai jie sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis (įskaitant γ kvantus) arba tarpusavyje. Simboliškai reakcijos rašomos taip:

X + a→Y + b arba X(a,b) Y

kur X ir Y yra pradinis ir galutinis branduoliai, a ir b yra bombarduojančios ir skleidžiamos (arba skleidžiamos) dalelės branduolinėje reakcijoje.

Bet kurioje branduolinėje reakcijoje yra įvykdyti elektros krūvių ir masės skaičių tvermės dėsniai: į branduolinę reakciją patenkančių branduolių ir dalelių krūvių (ir masės skaičių) suma yra lygi krūvių sumai (ir masės skaičiai) galutinių reakcijos produktų (branduolių ir dalelių). Taip pat tenkinami energijos tvermės, impulso ir kampinio momento dėsniai.

Branduolinės reakcijos gali būti egzoterminės (išleidžiančios energiją) arba endoterminės (sugeriančios energiją).

Branduolinės reakcijos skirstomos į:

1) pagal juose dalyvaujančių dalelių tipą - reakcijos veikiant neutronams; įkrautos dalelės; γ-kvantai;

2) pagal jas sukeliančių dalelių energiją - reakcijos esant žemai, vidutinei ir didelei energijai;

3) pagal juose dalyvaujančių branduolių tipą - reakcijos į plaučius (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) šerdys;

4) pagal vykstančių branduolinių virsmų pobūdį – reakcijos su neutronų ir įkrautų dalelių emisija; fiksavimo reakcijos (šių reakcijų atveju junginio branduolys neišskiria jokių dalelių, o pereina į pagrindinę būseną, išskirdamas vieną ar daugiau γ kvantų).

Pirmąją branduolinę reakciją istorijoje įvykdė Rutherfordas

1939 – O. Hahn ir F. Strassmann atrado urano branduolių dalijimąsi: bombarduojant uraną neutronais, atsiranda periodinės lentelės vidurinės dalies elementai – radioaktyvieji bario (Z = 56), kriptono (Z = 36) izotopai. - dalijimosi fragmentai ir kt. Sunkaus branduolio dalijimasis kartu su dviem skeveldromis energijos išleidimas apie 1 MeV vienam nukleonui.

Pavyzdžiui, yra du galimi urano branduolių dalijimosi reakcijos variantai.

Atomo branduolių dalijimosi teorija remiasi branduolio lašelių modelis. Branduolys laikomas elektra įkrauto nesuspaudžiamo skysčio lašu (a), kurio tankis lygus branduolio tankiui ir paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Užfiksavus neutroną, tokio įkrauto lašo stabilumas sutrinka, branduolys patenka į svyravimai- pakaitomis išsitiesia ir susitraukia. Branduolio dalijimosi tikimybę lemia aktyvacijos energija – minimali energija, reikalinga branduolio dalijimosi reakcijai atlikti. Esant mažesnėms nei dalijimosi aktyvacijos energijai, lašelio branduolio deformacija nepasiekia kritinės (b), branduolys nesidalija ir grįžta į pagrindinę energijos būseną, išspinduliuodamas γ-kvantą. Esant didesnėms sužadinimo energijoms nei dalijimosi aktyvacijos energija, lašo deformacija pasiekia kritinę reikšmę (c), susidaro ir pailgėja lašo „juosmuo“ (d), įvyksta skilimas (e).

Kiekvienas dalijimosi reakcijos metu susidarantis greitas neutronas, sąveikaujantis su kaimyniniais skiliosios medžiagos branduoliais, sukelia juose dalijimosi reakciją. Tuo pačiu eina kaip lavina dalijimosi įvykių skaičiaus padidėjimas – prasideda dalijimosi grandininė reakcija - branduolinė reakcija, kurios metu reakciją sukeliančios dalelės susidaro kaip šios reakcijos produktai. Grandininės reakcijos sąlyga yra besidauginančių neutronų buvimas.

Neutronų dauginimo koeficientas k yra neutronų, pagamintų tam tikrame reakcijos etape, ir tokių neutronų skaičiaus ankstesniame etape santykis.

Būtina sąlyga grandininei reakcijai išsivystyti: k >1. Ši reakcija vadinama besivystančia reakcija. Kai k =1, įvyksta savaime išsilaikanti reakcija. Prie k<1 идет затухающая реакция.

Dauginimo koeficientas priklauso nuo skiliosios medžiagos pobūdžio, o tam tikram izotopui - nuo jo kiekio, taip pat nuo aktyviosios zonos dydžio ir formos - erdvės, kurioje vyksta grandininė reakcija.

Minimalūs šerdies matmenys, kuriems esant galima grandininė reakcija, vadinami kritiniais matmenimis.

Mažiausia skiliosios medžiagos masė, esanti kritinių matmenų sistemoje, reikalinga grandininei reakcijai įvykti, vadinama kritine mase.

Grandininės reakcijos skirstomos į kontroliuojamas ir nekontroliuojamas. Atominės bombos sprogimas yra nekontroliuojamos reakcijos pavyzdys. Branduoliniuose reaktoriuose vyksta valdomos grandininės reakcijos.

Įrenginys, palaikantis kontroliuojamą branduolio dalijimosi reakciją, vadinamas branduoliniu (arba atominiu) reaktoriumi. Branduoliniai reaktoriai naudojami, pavyzdžiui, atominėse elektrinėse.

Panagrinėkime lėto neutroninio reaktoriaus schemą. Branduolinis kuras tokiuose reaktoriuose gali būti:

1) - gamtiniame urane yra apie 0,7%;

2), gautas pagal schemą

3) gaunamas iš torio pagal schemą

Reaktoriaus aktyvioje zonoje yra kuro elementai, pagaminti iš branduolinio kuro (kuro strypai) 1 ir moderatorius 2 (kuriame neutronai sulėtėja iki šiluminio greičio). Kuro elementai yra skiliosios medžiagos blokai, uždaryti sandariame apvalkale, kuris silpnai sugeria neutronus. Dėl branduolio dalijimosi išsiskiriančios energijos kuro elementai įkaista, todėl aušinimui dedami į aušinimo skysčio srautą 3. Šerdį gaubia reflektorius 4, kuris sumažina neutronų nuotėkį. Pastovi reaktoriaus būsena palaikoma naudojant valdymo strypus 5, pagamintus iš medžiagų, kurios stipriai sugeria neutronus, pvz.

iš boro arba kadmio. Aušinimo skystis reaktoriuje yra vanduo, skystas natris ir kt. Garo generatoriuje esantis aušinimo skystis atiduoda savo šilumą garams, kurie patenka į garo turbiną. Turbina suka elektros generatorių, iš kurio srovė patenka į elektros tinklą.

1 apibrėžimas

Branduolinė reakcija plačiąja prasme – procesas, vykstantis dėl kelių sudėtingų atomų branduolių ar elementariųjų dalelių sąveikos. Branduolinėmis reakcijomis taip pat vadinamos tos reakcijos, kurių metu tarp pradinių dalelių yra bent vienas branduolys, jis susijungia su kitu branduoliu arba elementaria dalele, dėl ko įvyksta branduolinė reakcija ir susidaro naujos dalelės.

Paprastai branduolinės reakcijos vyksta veikiant branduolinėms jėgoms. Tačiau branduolinio skilimo branduolinė reakcija veikiant $\gamma $ - didelės energijos kvantams arba greitiesiems elektronams vyksta veikiant elektromagnetinėms, o ne branduolinėms jėgoms, dėl to, kad branduolinės jėgos neveikia fotonų ir elektronų. Branduolinės reakcijos apima procesus, vykstančius neutrinams susidūrus su kitomis dalelėmis, tačiau jie vyksta esant silpnai sąveikai.

Branduolinės reakcijos gali vykti natūraliomis sąlygomis (žvaigždžių gelmėse, kosminiuose spinduliuose). Branduolinių reakcijų tyrimas vyksta laboratorijose, kuriose naudojami eksperimentiniai įrenginiai, kuriuose energija perduodama įkrautoms dalelėms naudojant greitintuvus. Šiuo atveju sunkesnės dalelės yra ramybės būsenoje ir vadinamos tikslinės dalelės. Juos atakuoja lengvesnės dalelės, kurios yra pagreitinto pluošto dalis. Susidūrusių spindulių greitintuvuose skirstyti į taikinius ir spindulius nėra prasmės.

Teigiamai įkrautos pluošto dalelės energija turi būti tokia arba didesnė už branduolio Kulono potencialo barjerą. 1932 metais J. Cockroft ir E. Walton pirmieji dirbtinai suskaldė ličio branduolius, bombarduodami juos protonais, kurių energija buvo mažesnė už Kulono barjero aukštį. Protonas prasiskverbė į ličio branduolį per tunelinį perėjimą per Kulono potencialo barjerą. Neigiamo krūvio ir neutralių dalelių atveju Kulono potencialo barjeras neegzistuoja, o branduolinės reakcijos gali vykti net esant krintančių dalelių šiluminei energijai.

Dažniausias ir vaizdinis branduolinių reakcijų žymėjimas paimtas iš chemijos. Kairėje yra dalelių suma prieš reakciją, o dešinėje - galutinių reakcijos produktų suma:

aprašoma branduolinė reakcija, kuri įvyksta protonais bombarduojant ličio izotopą $()^7_3(Li)$, dėl kurio susidaro neutronas ir berilio izotopas $()^7_4(Be)$.

Branduolinės reakcijos dažnai rašomos simboline forma: $A\left(a,bcd\dots \right)B$, kur $A$ yra tikslinis branduolys, $a$ yra bombarduojanti dalelė, $bcd\taškai ir\ B$ - - atitinkamai dalelės ir branduolys, kurie susidaro dėl reakcijos. Aukščiau pateiktą reakciją galima perrašyti į $()^7_3(Li)(p,n)()^7_4(Be)$. Kartais žymėjimas eina $(p,n)$, o tai reiškia neutrono išmušimą iš tam tikro branduolio, veikiant protonui.

Kiekybinis reakcijų aprašymas

Branduolinių reakcijų kiekybinis apibūdinimas kvantinės mechanikos požiūriu galimas tik statistiškai, t.y. galime kalbėti apie tam tikrą įvairių procesų, apibūdinančių branduolinę reakciją, tikimybę. Taigi reakcija $a+A\į b+B$, kurios pradinėje ir galutinėje būsenose yra po dvi daleles, šiuo supratimu visiškai apibūdinama diferenciniu efektyviosios sklaidos skerspjūviu $d\sigma /d\Omega $ kūno viduje pjūvis $d\ Omega (\rm =)(\sin \theta \ )\theta d\varphi $, kur $\theta $ ir $\varphi $ yra vienos dalelės poliarinis ir azimutinis nukrypimo kampas, tuo tarpu kampas $\theta $ skaičiuojamas nuo bombarduojančios dalelės judėjimo pradžios. Diferencialinio skerspjūvio priklausomybė nuo kampų $\theta $ ir $\varphi $ vadinama reakciją formuojančių dalelių kampiniu pasiskirstymu. Bendras arba vientisas skerspjūvis, apibūdinantis reakcijos intensyvumą, yra diferencinis efektyvusis skerspjūvis, integruotas į visas kampų $\theta $ ir $\varphi $ vertes:

Efektyvusis skerspjūvis gali būti interpretuojamas kaip sritis, kurioje krintanti dalelė sukels tam tikrą branduolinę reakciją. Efektyvusis branduolinės reakcijos skerspjūvis matuojamas barnuose $1\ b=(10)^(-28)\ m^2$.

Branduolinės reakcijos apibūdinamos reakcijos išeiga. Branduolinės reakcijos išeiga $W$ yra pluošto dalelių dalis, kuri patyrė branduolinę sąveiką su tikslinėmis dalelėmis. Jei $S$ yra pluošto skerspjūvio plotas, $I$ yra pluošto srauto tankis, tai $N=IS$ dalelės kas sekundę krenta į tą patį tikslinį plotą. Vidutiniškai per sekundę nuo jų reaguoja $\trikampis N=IS\sigma n$ dalelės, kur $\sigma $ – efektyvusis pluošto dalelių reakcijos skerspjūvis, $n$ – branduolių koncentracija taikinyje. Tada:

Įvairios branduolinių reakcijų klasifikacijos

Branduolinės reakcijos gali būti klasifikuojamos pagal šias charakteristikas:

• reakcijoje dalyvaujančių dalelių pobūdis;
• reakcijoje dalyvaujančių branduolių masės skaičius;
• už energetinio (šiluminio) efekto;
• apie branduolinių transformacijų pobūdį.

Remiantis reakcijas sukeliančių dalelių energine verte $E$, išskiriamos šios reakcijos:

• esant mažoms energijoms ($E\le 1\keV$);
• esant mažoms energijoms ($1\ keV\le E\le 1\ MeV$);
• esant vidutinėms energijoms ($1\ MeV\le E\le 100\ MeV$);
• esant didelėms energijoms ($100\ MeV\le E\le 1\ GeV)$;
• esant didelėms energijoms ($1\ GeV\le E\le 500\ GeV$);
• esant itin didelei energijai ($E>500\GeV$).

Priklausomai nuo dalelės $a$ energijos, tų pačių branduolių $A$ branduolinėse reakcijose vyksta skirtingos transformacijos. Pavyzdžiui, apsvarstykite fluoro izotopo bombardavimo reakciją skirtingos energijos neutronais:

1 paveikslas.

Atsižvelgiant į dalelių, dalyvaujančių branduolinėse reakcijose, pobūdį, jos skirstomos į šiuos tipus:

• neutronų įtakoje;
• fotonų įtakoje;
• veikiami įkrautų dalelių.

Remiantis branduolių masės skaičiumi, branduolinės reakcijos skirstomos į šiuos tipus:

• ant lengvųjų branduolių ($ A
• ant vidutinių branduolių (50 USD
• ant masyvių branduolių ($A >100$).

Atsižvelgiant į branduolyje vykstančių transformacijų pobūdį, reakcijos skirstomos į:

• radiacijos gaudymas;
• Kulono sužadinimas;
• branduolio dalijimasis;
• sprogimo reakcija;
• branduolinis fotoelektrinis efektas.

Nagrinėjant branduolines reakcijas, naudojami šie dėsniai:

• energijos tvermės dėsnis;
• impulso išsaugojimo dėsnis;
• elektros krūvio tvermės dėsnis;
• bariono krūvio išsaugojimo įstatymas;
• leptono krūvio išsaugojimo dėsnis.

1 pastaba

Apsaugos dėsniai leidžia numatyti, kurios mintyse galimos reakcijos gali būti įgyvendintos, o kurios – ne dėl vieno ar kelių gamtosaugos įstatymų nesėkmės. Šiuo atžvilgiu išsaugojimo dėsniai atlieka ypač svarbų vaidmenį branduolinėms reakcijoms.

Branduolinė reakcija apibūdinama branduolinės reakcijos energija $Q$. Jei reakcija vyksta išsiskiriant energijai $Q >0$, tai reakcija vadinama egzotermine; jei reakcija vyksta sugeriant šilumą $Q

Profesorius

I.N.Bekmanas

BRANDUOLINĖ FIZIKA

16 paskaita. BRANDUOLINĖS SĄVEIKOS

Branduolinės fizikos raidą daugiausia lemia branduolinių reakcijų srities tyrimai. Šioje paskaitoje nagrinėsime šiuolaikinę branduolinių sąveikų klasifikaciją, jų

termodinamika ir kinetika, taip pat pateikti keletą branduolinių reakcijų pavyzdžių.

1. BRANDUOLIŲ REAKCIJŲ KLASIFIKACIJA

Dėl branduolinių jėgų veikimo dvi dalelės (du branduoliai arba branduolys ir nukleonas) artėja prie eilės atstumų. 10 -13 cm įsitraukia į intensyvią branduolinę sąveiką tarpusavyje, todėl vyksta branduolinė transformacija. Šis procesas vadinamas branduoline reakcija. Branduolinės reakcijos metu įvyksta abiejų dalelių energijos ir impulso persiskirstymas, dėl kurio susidaro dar kelios dalelės, išskrendančios iš sąveikos vietos. Atsitrenkusiai dalelei susidūrus su atomo branduoliu, tarp jų keičiasi energija ir impulsas, ko pasekoje gali susidaryti kelios dalelės, kurios iš sąveikos srities išskrenda skirtingomis kryptimis.

Branduolinės reakcijos – tai atomų branduolių transformacijos sąveikaujant su elementariosiomis dalelėmis, γ-kvantais arba tarpusavyje.

Branduolinė reakcija – tai naujų branduolių ar dalelių susidarymo procesas branduolių ar dalelių susidūrimo metu. Branduolinę reakciją pirmą kartą pastebėjo E. Rutherfordas 1919 m., bombarduodamas azoto atomų branduolius α dalelėmis; ji buvo aptikta atsiradus antrinėms jonizuojančioms dalelėms, kurių diapazonas dujose didesnis už α dalelių diapazoną ir identifikuojamas kaip protonai. . Vėliau šio proceso nuotraukos buvo gautos naudojant debesų kamerą.

Ryžiai. 1. Branduolinių reakcijų metu vykstantys procesai

(pavaizduoti reakcijos įvesties ir išvesties kanalai).

Pirmąją branduolinę reakciją 1919 metais atliko E. Rutherfordas: 4 He + 14 N→ 17 O + p arba 14 N(α,p)17 O. α-dalelių šaltinis buvo α-radioaktyvus vaistas. Radioaktyvieji α-vaistai tuo metu buvo vieninteliai įkrautų dalelių šaltiniai. Pirmąjį greitintuvą, specialiai sukurtą branduolinėms reakcijoms tirti, 1932 m. sukūrė Cockroft ir Walton. Šis greitintuvas buvo pirmasis,

gautas pagreitintų protonų pluoštas ir atlikta reakcija p + 7 Li → α + α.

Branduolinės reakcijos yra pagrindinis atomų branduolių sandaros ir savybių tyrimo metodas. Branduolinėse reakcijose tiriami dalelių sąveikos su atomo branduoliais mechanizmai bei atomų branduolių sąveikos mechanizmai. Dėl branduolinių reakcijų gaunami nauji izotopai ir cheminiai elementai, kurių natūraliai nėra. Jei po susidūrimo pirminiai branduoliai ir dalelės išsaugomi, o naujų negimsta, tai reakcija yra elastinga sklaida branduolinių jėgų lauke, kurią lydi tik dalelės ir tikslinio branduolio kinetinės energijos ir impulso persiskirstymas. ir vadinamas potencialu

išsibarstymas.

Bombarduojančių dalelių (branduolių) sąveikos su tiksliniais branduoliais pasekmės gali būti:

1) Tamprioji išsklaidymo, kai nei sudėtis, nei vidinė energija nesikeičia, o tik vyksta kinetinės energijos persiskirstymas pagal vidinio poveikio dėsnį.

2) Neelastinga sklaida, kai sąveikaujančių branduolių sudėtis nesikeičia, tačiau dalis bombarduojančio branduolio kinetinės energijos išleidžiama tikslinio branduolio sužadinimui.

3) Tiesą sakant, branduolinė reakcija, dėl kurios pasikeičia sąveikaujančių branduolių vidinės savybės ir sudėtis.

	Ryžiai. 2. Ličio-6 branduolinė reakcija su deuteriu 6 Li(d ,α)α
	Branduolinės reakcijos yra stiprios, elektromagnetinės ir silpnos
	sąveikos.
	Yra žinoma daug įvairių reakcijų tipų. Juos galima suskirstyti į
	reakcijos veikiant neutronams, veikiant įkrautoms dalelėms ir veikiant
	Apskritai branduolinė sąveika gali būti parašyta forma
	a1 + a2 → b1 + b2 + …,
	kur a 1 ir a 2 yra dalelės, kurios reaguoja, o b 1, b 2, ... yra dalelės,
susidaręs dėl reakcijos (reakcijos produktai).
	Dažniausias reakcijos tipas yra šviesos dalelės a sąveika su branduoliu A, in
ko pasekoje susidaro lengvoji dalelė b ir branduolys B
	a + A → b + B
	Arba trumpiau
	A(a,b)B.

Neutronas (n), protonas (p), α-dalelė, deuteronas (d) ir γ-kvantas gali būti laikomi a ir b.

1 pavyzdys. Branduolinė reakcija

4 He + 14 N → 17 O+ 1 H

V sutrumpinta forma rašoma kaip 14N(α,p)17O

2 pavyzdys. Apsvarstykite reakciją 59 Co(p,n). Kas yra šios reakcijos produktas? Sprendimas. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z C

kairėje pusėje turime 27+1 protoną. Dešinėje pusėje yra 0+X protonai, kur X yra gaminio atominis skaičius. Akivaizdu, kad X = 28 (Ni). Kairėje pusėje yra 59+1 nukleonai, o dešinėje – 1+Y nukleonai, kur Y = 59. Taigi reakcijos produktas yra 59 Ni.

Reakcija gali vykti keliais konkuruojančiais būdais:

Įvairūs galimi branduolinės reakcijos keliai antroje stadijoje vadinami reakcijos kanalais. Pradinė reakcijos stadija vadinama įvesties kanalu.

Ryžiai. 3. Protonų sąveikos su 7 Li kanalai.

Paskutiniai du reakcijos kanalai (6) schemoje nurodo neelastingo (A * + a) ir elastingo (A + a) branduolio sklaidos atvejus. Tai ypatingi branduolinės sąveikos atvejai, besiskiriantys nuo kitų tuo, kad reakcijos produktai sutampa su dalelėmis,

reaguojant, o esant tampriai sklaidai išsaugomas ne tik branduolio tipas, bet ir jo vidinė būsena, o esant neelastingam sklaidai pasikeičia branduolio vidinė būsena (branduolys pereina į sužadintą būseną). Įvairių reakcijos kanalų galimybę lemia krintanti dalelė, jos energija ir branduolys.

Tiriant branduolinę reakciją, įdomu nustatyti reakcijos kanalus, lyginamąją tikimybę, kad ji vyks skirtingais kanalais esant skirtingoms krintančių dalelių energijoms, susidarančių dalelių energiją ir kampinį pasiskirstymą, taip pat jų vidinę būseną (žadinimo energiją). , sukinys, paritetas, izotopinis sukinys).