Атомные реакции – Ядерные реакции — Ядерная физика

Ядерные реакции и их основные типы.

Ядерной
реакцией называется процесс сильного
взаимодействия атомного ядра с
элементарной частицей или с другим
ядром, приводящий к преобразованию
ядра. Наиболее распространенным видом
ядерной реакции является реакция типа
,
где
легкие частицы – нейтрон, протон,-частица,-квант.

Реакции,
вызываемые не очень быстрыми частицами,
протекают в два этапа. На первом этапе
частицы, приблизившиеся к ядру,
захватываются им, образуя промежуточное
ядро – компаунд-ядро. Энергия, привнесенная
частицей, перераспределяется между
нуклонами, и ядро оказывается в
возбужденном состоянии. На втором этапе
ядро испускает частицу
.
.

Если
,
то это не ядерная реакция, а процесс
рассеяния. Если
упругое рассеяние, если
неупругое рассеяние.

Реакции,
вызываемые быстрыми нуклонами, происходят
без образования промежуточного ядра –
это прямые ядерные взаимодействия.

Реакции
делятся:

  1. по
    роду участвующих в ядерных реакциях
    частиц.

  2. По
    энергии участвующих частиц (холодные,
    горячие)

  3. По
    роду ядер, участвующих в реакции (легкие,
    средние, тяжелые)

  4. По
    характеру продуктов, получаемых в
    результате реакции (элементарные
    частицы, протоны, нейтроны)

Реакции
деления ядер
.
В 1938 году Ган и Штрассман обнаружили,
что при облучении урана нейтронами
образуются элементы из середины
периодической системы. Реакция
характеризуется выделением большого
количества энергии. Впоследствии было
выяснено, что захватившее нейтрон ядро
может делиться разными путями. Продукты
деления называются осколками. Наиболее
вероятным является деление на осколки,
массы которых относятся как
:

-церий
— стабилен

-цирконий
– стабилен.

Ядро
урана делится только быстрыми нейтронами.
При меньших энергиях нейтроны поглощаются,
и ядро переходит в возбужденное состояние
– это радиационный захват.

Нейтроны,
которые, образуются в результате деления
урана, могут вызвать еще реакцию, и т.д.
– это цепная ядерная реакция. Коэффициент
размножения нейтронов – это отношение
числа нейтронов в данном поколении к
числу нейтронов в предыдущем поколении.
Цепная реакция идет при
.

Из-за
конечных размеров делящегося тела и
большой проникающей способности, многие
нейтроны покидают зону реакции до того
как будут захвачены ядром. Если масса
делящегося урана меньше некоторой
критической, то большинство нейтронов
вылетают наружу и цепная реакция не
происходит. Если масса больше критической,
нейтроны быстро размножаются, и реакция
имеет характер взрыва (на этом основано
действие атомной бомбы). В реакторах
регулируют критическую массу, поглощая
лишние нейтроны кадмиевыми и угольными
стержнями.

Слияние
легких ядер в более тяжелые – это реакция
синтеза. Если реакция происходит при
высоких температурах – это термоядерная
реакция. Термоядерная реакция является,
по-видимому, одним из источников энергии
Солнца и звезд.

Типы взаимодействия элементарных частиц.

Развитие
физики элементарных частиц связано с
изучением космических лучей. Существует
2 типа космического излучения: первичное,
приходящее из космоса и состоящее в
основном из высокоэнергетичных протонов,
и вторичное, которое образуется в
результате взаимодействия первичных
космических лучей с ядрами атомов земной
атмосферы. Во вторичном излучении
выделяют жесткую и мягкую компоненты.

Существует
4 типа взаимодействия:

  1. Сильное
    (ядерное). Оно ответственно за процессы
    в ядрах между нуклонами.

  2. Электромагнитное
    (присуще всем заряженным частицам). Оно
    не характерно для процессов, в которых
    участвуют
    ,и-кванты.

  3. Слабое
    взаимодействие. Оно ответственно за
    процессы, происходящие с участием
    и.

  4. Гравитационное
    взаимодействие. Оно пренебрежимо мало
    для объектов микромира.

Сильное
взаимодействие в 100 раз больше, чем
электромагнитное, и в 1014
раз, чем слабое. Радиус действия сильного
10-15
м, слабого 10-19
м.

studfiles.net

Типы ядерных реакций

Сначала реакции проводились использовав излучение, которое возникает в результате природной радиоактивности. Резерфорд в $1919$ году осуществил реакцию, которою можно записать у виде:

Искусственное преобразование ядер, вызванное бомбардировкой $\alpha $ — частицами, привело к открытию нейтрона. В $1930$ г. В. Боте и Г. Беккер открыли, что при бомбардировке ядер изотопа ${}^9_4{Be}$ $\alpha $ — частицами возникает излучение большей проницаемой способности, которое считали потоком $\gamma $ — квантов. При излучении поглощения этого излучение свинцом было установлено, что энергия этого излучения равна около $7$ МэВ. В $1932$ г. Определили, что ионизирующее действие бериллиевого излучения растет, если его пропустить через пластинку парафина, которая содержит много атомов водорода. Излучение выбивает с пластинки протон, пробег которого в воздухе достигает $40$ см, что соответствует энергии в $5$ МэВ. Если предположить что протон получил такую энергию в результате соударения с $\gamma $ — квантом, то его энергия должна равняться 55 МэВ, что не совпадает со значением энергии поглощения и с расчётами на основании дефекта масс. Дж. Чедвик показал, что все затруднения исчезают, если предположить, что бериллиевое излучение — это поток нейтральных частиц с массой близкой к массе протона. Тогда реакцию можно записать у виде:

По сколько нейтроны не имеют заряда, то при бомбардировке атомных ядер для них не существует потенциального барьера. По этой причине после открытия нейтроны начали широко использовать при проведении ядерных реакций.

Ядерные реакции под действием нейтронов

Эти реакции самые многочисленные и имеют большое практическое применение. Ряд массивных ядер $({}^{233}_{92}U,\ {}^{235}_{92}U,\ {}^{239}_{94}{Pu})$ претерпевает раздел при захвате медленных нейтронов. Эти ядерные реакции лежат в основе работы ядерных реакторов на медленных нейтронах. Самыми распространенными реакциями является реакция радиационного захвата ($n,\ \gamma $), которые используются как для управления работой реактора с помощью кадмиевых регулировочных стержней, так и для получения в реакторах разных радиоактивных изотопов.

С увеличением энергии нейтронов увеличивается вероятность неупругого рассеяния ($n,\ n$), а при энергиях в несколько МэВ имеют место реакции ($n,\ p$) ($n,\ \alpha $). Такие реакции, как и реакции ядерного захвата, приводят к созданию $\beta $ — активных ядер. В отличии от ядер ${}^{233}_{92}U,\ {}^{235}_{92}U,\ {}^{239}_{94}{Pu}$ которые испытывают деление под действием медленных нейтронов, ядра ${}^{238}_{92}U$ и ${}^{232}_{90}U$ делятся только под действием быстрых нейтронов, энергия которых достигает нескольких МэВ. На таких реакциях базируется работа реакторов на быстрых нейтронах. При энергии нейтронов в $10-20$ МэВ возможна реакция ($n,2n$), а при энергиях в $20-40$ МэВ — и реакция ($n,\ 3n$).

Ядерные реакции под действием протонов

В то время как эффективное сечение $\sigma $ ядерных реакций под действием медленных нейтронов достаточно большое и превышает геометрическое сечение ядра, величина $\sigma $ для ядерных реакций под действием протонов малых энергий бесконечно мала и увеличивается с увеличением их энергии. Это объясняется тем, что для протонов существует потенциальный барьер ядра и частица должна преодолеть кулоновское отталкивание. По этой причине, только в случае существования большей собственной энергии протон может подойти близко к ядру и вызвать ядерную реакцию. В случае ядер с малым массовым числом ядерные реакции под действием протонов могут происходить при меньших значениях энергии протонов, поскольку возникает вероятность туннельного эффекта. Под действием протонов возможны ядерные реакции ($p,\ \gamma $), ($p,\ n$) и ($p,\ \alpha $). Реакция ($p,\ \alpha $) под действием протонов была получена в ускорителях в $1932$ г. Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном: ${}^7_3{Li}{\rm (}p,\ \alpha {\rm )}{}^4_2{He}$, реакция : ${}^7_3{Li}{\rm (}p,\gamma {\rm )}{}^8_4{Be}$ часто используется для получения $\gamma $ — лучей. С помощью реакции ${}^{27}_{13}{Al}{\rm (}\alpha ,n{\rm )}{}^{30}_{15}P$ открыли искусственную радиоактивность.

Ядерные реакции под действием дейтронов

Если большинство ядерных реакций под действием частиц, энергии которых равны несколько эВ происходят с созданием промежуточного сложенного ядра, то для ядерных реакций под действием дейтронов характерными являются так званные прямые реакции без создания сложенных ядер. Эта особенность обусловлена тем, что дейтрон представляет собой относительно слабо связанную и достаточно мощную систему двух нуклонов. Энергия связи становит всего лишь $2,225$ МэВ, а среднее расстояние между нуклонами в дейтроне почти у два раза больше эффективного радиуса действия ядерных сил.

При изучении ядерных реакций под действием дейтронов установлено, что при энергиях дейтрона от $1$ до $8$ МэВ происходят преимущественно реакции $(D,\ p)$. Энергетический порог реакции типа $(D,\ n)$, оказывается высшим, чем порог предыдущего типа реакций, что оставалось непонятным с точки зрения гипотезы строения ядра. Впервые механизм реакции под действием дейтронов объяснили у $1935$ г. Р Оппенгеймер и М. Филлипс. Они предположили, что в случае бомбардировки ядер дейтронами с большей вероятностью происходит захват ядром только одного с нуклонов. При этом второй нуклон пролетает дальше, не поддавшись никакому взаимодействию с ядром. Когда дейтрон сравнительно небольших энергий пролетает на близком расстоянии от ядра, то он попадает в электрическое поле ядра большей напряженности. Это поле с большей силой отталкивает ядро, не действуя на нейтрон. Если нейтрон окажется возле ядра на расстоянии действия ядерных сил, а протон дейтрона будет на сравнительно большем расстоянии, то нейтрон захватывается ядром, а протон отрывается и продолжает движение не проникая в ядро. Таким образом, ядерная реакция с участием дейтрона происходит не внутри ядра, а за его пределами. Такие реакции называют реакциями взрыва.

При энергиях дейтронов более $100$ МэВ основным процессом реакции так же остается реакция взрыва одного с нуклонов. Но кулоновское отталкивание не играет такую роль, как у реакциях с малой энергией дейтронов. Здесь отрыв происходит в результате соударения одного с нуклонов и ядра. В этом случае с одинаковой вероятностью происходит как реакция поглощения протона так и реакция поглощения нейтрона. Реакция отрыва дает возможность получить нейтроны с высокими энергиями. Кроме этого, реакция под действием дейтронов дает возможность исследовать энергетические уровни атома.

Ядерные реакции под действием $\gamma$- квантов.

Такие реакции могут происходить когда энергия $\gamma $ — квантов больше энергии связи нуклонов в ядре. Они называются фотоядерными реакциями. К ним относят реакции: $\left(гa,\ n\right),\ \left(\gamma ,\ p\right),\ (\gamma ,\ n,\ p)$. Под действием $\gamma $ — фотонов высоких энергий и частиц, энергия которых выше $100$ МэВ, ядро может «взорваться», распавшись на большое количество осколков. Эти осколки в камере Вильсона или у фотоэмульсиях образуют картинку, которая напоминает звезду. Такой процесс называется созданием «звезд».

Ядерные реакции при высоких энергиях. Ядерные реакции, которые происходят в результате проникновения в ядра частиц с большими энергиями (сотни и более эВ), имеют ряд особенностей. Это обусловлено тем, что энергия, внесенная частицей, может оказаться больше не только энергии отдельного нуклона, но и энергии связи ядра. Поэтому даже после равномерного распределения энергии между нуклонами может оказаться, что энергия каждого нуклона будет больше энергии связи и он может покинуть ядро. В связи с этим, первым этапом взаимодействия частиц высокой энергии с ядром наблюдают вылет нескольких нуклонов с ядра. После этого ядро может находится в достаточно возбужденном состоянии, что приводит к последующему вылету нуклонов подобно испарению молекул нагретой капли жидкости.

При достаточно высоких энергиях бомбардирующих частиц (несколько сотен МэВ) ядро может «взорваться», т.е. произойдет процесс создания «звезды».

Деление тяжелых ядер

Начало изучения деления тяжелых ядер было положено Э. Ферми у $1934$ г. После открытия нейтрона и искусственной радиоактивности он облучил нейтронами почти все элементы периодической системы. Поскольку в результате реакций создавались $\beta $ — активные ядра, то считалось, что при бомбардировке ядер урана можно получить трансурановые элементы. Было установлено, что в результате проникновения нейтрона в ядро урана последнее делится на два ядерных осколки. Принудительное деление тяжелых ядер под действием нейтронов имеет чрезвычайно важное как теоретическое так и практическое значение. Такую ядерную реакцию можно записать у виде $(n,\ f)$. Предполагается, что деление тяжелых ядер должно обладать следующими свойствами:

  • При делении тяжелого ядра должна выделятся большая энергия. Такой вывод выплывает с того, что удельная энергия связи нуклонов в ядрах конца периодической системы элементов уменьшается. Так, для ядер ${}^{235}_{92}U$ она составляет приблизительно $7,6$ МэВ, а для ядер с массовым числом $100$ — приблизительно $8,5$ МэВ. Поскольку средняя удельная энергия связи нуклонов у ядре в данном интервале массовых чисел $8,5$ МэВ, то при делении ядра должна выделится энергия $Q=\left(8.5-7.6\right)\cdot 238МэВ\approx 200\ МэВ$.

  • Преимущественная часть энергии деления должна освобождаться у форме кинетической энергии осколков деления ядра $Q_f$. Это выходит с того что осколки, которые создаются в результате деления ядра на две части, должны разлететься под действием кулоновских сил отталкивания своих зарядов. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия ядер двух осколков, которые находятся на расстоянии $r$, определяется как:

    \[V_k=\frac{Z_1Z_2e^2}{4\pi {\varepsilon }_0r}\]

    $Z_1\ и\ Z_2$ — заряды осколков, $r=R_1+R_2$, $R_1\ и\ R_2$ — радиусы ядер осколков, которые можно вычислить как

    \[R=r_0A^{1/3}=1.4\cdot {10}^{-13}A^{\frac{1}{3}}\ см.\]

    Если считать, что деление ядра урана ${}^{238}_{92}U$ произошло на два одинаковые осколки, то $V_k\approx 200\ МэВ$, т.е. величина такая же как и $Q$.

  • Осколки, которые создаются при деление тяжелых ядер, должны быть ${\beta }^-$ — радиоактивными и могут излучать нейтроны. Это выплывает с соотношения между числом нейтронов и протонов в разных стабильных ядрах периодической системы.

spravochnick.ru

Ядерные реакции



11. Ядерные реакции


    Большую роль в развитии представлений о структуре ядер
сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и
четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек.
Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами
позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми
моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило
одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер
образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в
значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях
с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы
β-стабильности.
Ядра, удаленные от полосы β-стабильности,
отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным
взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов,
существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в
новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и
рядом других специфических особенностей атомных ядер.

    При анализе ядерных реакций необходимо учитывать
волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса
взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так
для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны

меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина
дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0.1 МэВ длина
волны
больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией
<< 0.1
МэВ сечение реакции
2
гораздо больше, чем характерный размер площади ядра
πR.

    Ядерные реакции являются эффективным методом
исследования ядерной динамики. Ядерные реакции происходят при взаимодействии
двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом
между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц,
разлетающихся из области взаимодействия. В результате ядерной реакции происходит
сложный процесс перестройки атомного ядра. Как и при описании структуры ядра,
при описании ядерных реакций практически невозможно получить точное решение
задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными
моделями, протекание ядерной реакции описывается различными механизмами реакций.
Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов – от типа
налетающей частицы, типа ядра-мишени, энергии налетающей частицы и от ряда
других факторов. Одним из предельных случаев ядерной реакции является
прямая ядерная реакция
. В этом случае налетающая частица
передаёт энергию одному-двум нуклонам ядра, и они покидают ядро, не
взаимодействуя с другими нуклонами ядра. Характерное время протекания прямой
ядерной реакции
10-23
с. Прямые ядерные реакции идут на всех ядрах при любой энергии налетающей
частицы. Прямые ядерные реакции используются для изучения одночастичных
состояний атомных ядер, т.к. продукты реакции несут информацию о положении
уровней, из которых выбивается нуклон. С помощью прямых ядерных реакций была
получена детальная информация об энергиях и заполнении одночастичных состояний
ядер, которая легла в основу оболочечной модели ядра. Другим предельным случаем
являются реакции, идущие через образование составного
ядра
.


    Описание механизма ядерных реакций было дано в работах В.Вайскопфа.


    В.Вайскопф:
«Что происходит, когда частица входит в ядро и сталкивается с одной из ядерных
составных частей? Рисунок иллюстрирует некоторые из этих возможностей.

    1) Падающая частица теряет часть своей энергии,
поднимая ядерную частицу в более высокое состояние. Это будет результатом
неупругого рассеяния, если падающая частица остается с энергией, достаточной для
того, чтобы снова покинуть ядро.
Этот процесс называют прямым неупругим рассеянием, поскольку он предполагает
рассеяние только на одной составной части ядра.

    2) Падающая частица передает энергию коллективному движению, как
это символически показано на второй схеме рисунка, это также является прямым
взаимодействием.

    3) На третьей схеме рисунка переданная энергия достаточно велика
для того, чтобы вырвать нуклон из мишени. Этот процесс также дает вклад в прямую
ядерную реакцию. В принципе он не отличается от 1), он соответствует «обменной
реакции».

    4) Падающая частица может потерять так много энергии, что
остается связанной внутри ядра, переданная энергия может быть принята
низколежащим нуклоном таким образом, что он не сможет оставить ядро. Мы получаем
тогда возбужденное ядро, которое не может испустить нуклон. Это состояние с
необходимостью приводит к дальнейшим возбуждениям нуклонов внутренними
столкновениями, в которых энергия на возбужденную частицу в среднем убывает, так
что в большинстве случаев нуклон не может покинуть ядро. Следовательно, будет
достигнуто состояние с очень большим временем жизни, которое может распасться
только в том случае, когда одна частица при столкновениях внутри ядра случайно
приобретет достаточную энергию для того, чтобы покинуть ядро. Такую ситуацию мы
называем образованием компаунд-ядра. Энергия может быть потеряна также
излучением, после которого вылет частицы становится энергетически невозможным:
падающий нуклон испытает радиационный захват.

    5) Образование компаунд-ядра может осуществляться в два или
более шагов, если после процесса типа 1) или 2) падающий нуклон на своем пути
ударяет другой нуклон и возбуждает его таким образом, что вылет из ядра
оказывается невозможным для любого нуклона».


    Впервые представление о
протекании ядерной реакции через стадию составного ядра было высказано Н.Бором.
Согласно модели составного ядра, падающая частица после взаимодействия с одним
или двумя нуклонами ядра передаёт ядру большую часть своей энергии и оказывается
захваченной ядром. Время жизни составного ядра гораздо больше, чем время пролёта
налетающей частицы через ядро. Внесенная налетающей частицей в ядро энергия
перераспределяется между нуклонами ядра до тех пор, пока значительная её часть
не сосредоточится на одной частице и тогда она вылетает из ядра. Образование
долгоживущего возбужденного состояния может в результате деформации привести к
его делению.


Механическая модель описания ядерной реакции


    Н. Бор:
«Явление захвата нейтронов
заставляет нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжелым
ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся
замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной
системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному состоянию с
эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные
процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы
встречаемся здесь с существенной разницей, ранее еще нераспознанной, между
настоящими ядерными реакциями – обычными соударениями быстрых частиц и атомных
систем – соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником
сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счета
посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств
обязаны, прежде всего, «открытости» рассматриваемых систем, которая делает
весьма маловероятными обмен энергии между отдельными составляющими частицами в
продолжение удара. Однако вследствие тесной упаковки частиц в ядре, мы должны
быть готовы к тому, что именно этот обмен энергии играет основную роль в
типичных ядерных реакциях».


    Классификация ядерных реакций.
Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер.
Если длина волны налетающей частицы

больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в
целом. Если

меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о
распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции
между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам.

  • Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно
    большой массы (протоны, α-частицы
    и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих
    вращательных уровней тяжелых ядер.
  • Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию
    сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых
    атомных ядер.
  • Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения
    (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет
    квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные
    реакции протекают внутри звезд при температурах 107–1010
    К и являются основным источником энергии звезд.
  • Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами
    γ-квантов
    и электронов с энергией E > 10 МэВ.
  • Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра.
  • Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и
    исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов,
    далеких от линии стабильности.


    Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу
и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.


Реакции на медленных нейтронах


    «1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо
Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была
придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых
можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него
вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это
знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг
Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное:
активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его
поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и
Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен
приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным
измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил
им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и
посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса.
Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять
на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе,
его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку.
Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они
поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили
разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец

вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое!
предложил Ферми.
Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином.

    Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь
поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к
счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание
загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин
увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз.

    В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв,
установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико
воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже
была готова теория, которая объясняла странное действие парафина».


Л. Ферми. «Атомы у нас дома»



1934 г. Реакции под действием
тепловых нейтронов.

1934 г. Э. Ферми сформулировал теорию
β-распада
и ввел новое понятие

слабое взаимодействие.

 1942 г.
Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе.



Энрико Ферми

(1901–1954)


    Ферми нашёл объяснение этого странного поведения
отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных
упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает
способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при
снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для
объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для
частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит
радиус ядра
R
мишени, пределом поперечного сечения является не
πR2,
a
π2
с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых
случаях
σc
составляет 10
3
или даже 10
4
от геометрического поперечного сечения ядра.

Э.
Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания.


Нобелевская премия
по физике
1938 г. —
Э. Ферми

За демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных с
помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными
нейтронами.










nuclphys.sinp.msu.ru

Ядерные реакции

На уроках химии вы познакомились с химическими реакциями, которые ведут к превращениям молекул. Однако атомы при химических реакциях не изменяются. Рассмотрим теперь так называемые ядерные реакции, которые ведут к превращениям атомов. Введём условные обозначения:

  – ядро атома химического элемента.

Здесь Х – символ химического элемента (как в таблице Менделеева), Z – зарядовое число ядра изотопа, А – массовое число ядра изотопа.

Зарядовое число ядра – это число протонов в ядре, равное номеру элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра – это число входящих в ядро нуклонов (протонов и нейтронов). Зарядовое и массовое числа – физические величины, не совпадающие с зарядом и массой ядра.

Например, символ означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. Есть и другие изотопы углерода, например . Ядро такого изотопа содержит на один нейтрон больше при том же числе протонов (сравните рисунки).

Первая лабораторная ядерная реакция Резерфорда протекала так:

Ядро атома азота взаимодействовало с a-частицей (ядром атома гелия). При этом получилось ядро фтора – неустойчивый промежуточный продукт реакции. А затем из него образовались ядра кислорода и водорода, то есть произошло превращение одних химических элементов в другие.

По результатам этой ядерной реакции составим следующую таблицу.

первая искусственная
(лабораторная) ядерная реакция
Массовое числоЗарядовое число
до реакции: азот и гелий14 + 4 = 187 + 2 = 9
после: кислород и водород17 + 1 = 188 + 1 = 9

Из сравнения клеток таблицы видно, что суммы массовых чисел, а также суммы зарядовых чисел до и после ядерной реакции попарно равны. Эксперименты показывают, что для всех ядерных реакций выполняется закон сохранения зарядового и массового чисел: суммы зарядовых и массовых чисел частиц до и после ядерной реакции попарно равны.

Большинство ядерных реакций заканчивается после образования новых ядер. Однако существуют реакции, продукты которых вызывают новые ядерные реакции, называемые цепными ядерными реакциями. Примером служит реакция деления ядер урана-235 (см. рисунок). Когда в ядро урана попадает нейтрон, оно распадается на два других ядра и 2-3 новых нейтрона. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, и цепная реакция продолжается. Такая ситуация является идеальной. На самом деле многие образовавшиеся нейтроны вылетают за пределы вещества, поэтому не могут быть поглощены ураном.

Однако при высокой степени чистоты урана, то есть при большой его массовой доле, а также при его компактном размещении вероятность захвата нейтрона соседним ядром возрастает. Минимальная масса радиоактивного вещества, при которой возникает цепная реакция, называется критической массой. Для чистого урана-235 – это несколько десятков килограммов. Неуправляемая цепная реакция протекает очень быстро, представляя собой взрыв. Для её применения в мирных целях необходимо сделать реакцию управляемой, что достигается в специальном устройстве – ядерном реакторе (см. § 15-и).

Ядерные реакции очень часты в природе. Например, более половины элементов таблицы Менделеева имеют радиоактивные изотопы.

questions-physics.ru

Ядерная реакция — Циклопедия

Ядерные реакции [19:27]

Ядерная физика. Ядерные реакции. Цепная ядерная реакция деления. АЭС // EduLibNet [25:44]

Ядерная реакция — процесс образования новых ядер (и соответственно новых элементов) или частиц при столкновениях ядер или частиц.

Закономерности превращения ядер химических элементов изучает ядерная химия. О законах движения микрочастиц см. также квантовая механика.

[править] Радиоактивный распад

Подробнее см. Радиоактивный распад.

Виды распада ядра:

  • бета-распад: ядро испускает электрон, заряд ядра увеличивается на единицу, массовое число не изменяется, то есть образуется ядро другого элемента, атомный номер которого на единицу больше, чем у исходного. Специфической формой бета-распада является позитронный распад (ядро испускает позитрон, заряд ядра уменьшается на единицу).
  • альфа-распад: ядро выделяет ядро гелия. Приводит к образованию изотопа элемента с зарядом ядра на две единицы меньше исходного. Массовое число при этом уменьшается на четыре единицы. Наиболее характерен для тяжелых элементов, например для изотопа урана-234.

Радиоактивный распад обычно сопровождается гамма-излучением.

Для тяжелых элементов возможно также спонтанное деление ядра на две части. Оно характерно для трансурановых элементов.

[править] Период полураспада

Продолжительность жизни атомов характеризуется периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всего наличного числа ядер данного элемента. Большинство изотопов имеет период полураспада от 30 до 10 дней, именно поэтому только торий и уран в достаточном количестве сохранились на Земле из радиоактивных элементов (у них период полураспада по ряду причин составляет миллиарды лет). На самом деле все элементы тяжелее висмута радиоактивны.

[править] Механизм ядерной реакции

Простейший механизм ядерной реакции: одна из бомбардирующих частиц захватывается ядром-мишенью, образуется промежуточное составное ядро, которое испускает элементарную частицу или легкое ядро и превращается в новое ядро.

[править] Виды ядерных реакций

Виды ядерных реакций:

  • Деление ядра, может вызвать цепную реакцию, что является основой действия атомной бомбы.
  • Термоядерная реакция, реакции синтеза ядер, в результате которых возникли все химические элементы из водорода. Сопровождаются выделением огромных количеств энергии.
  • Фотоядерная реакция

[править] Ядерные реакции в природе

Синтез и превращение элементов происходят на всех стадиях звездной эволюции. Появление новых элементов возможно за счет слияния ядер либо за счет поглощения ядрами нейтронов. Условия, необходимые для этих процессов, возникают либо в недрах звезд, либо в звездных атмосферах, и обычно связаны с ускорением частиц за счет высокой температуры либо электромагнитных полей.

Основной источник энергии нашей звезды Солнце — ядерная реакция превращения водорода в гелий (вообще наиболее обычная во Вселенной и характерная для большинства звезд). В звездах другого типа протекают термоядерные реакции гелия с образованием углерода, кислорода, неона, магния, серы, аргона, кальция и так далее. С участием протонов и нейтронов образуются элементы вплоть до висмута. Радиоактивные элементы образуются при взрыве сверхновых звезд, когда освобождается колоссальная энергия, которая расходуется на синтез тяжелых элементов.

На Земле в основном только реакции радиоактивного распада, синтез элементов происходит только на звездах, поэтому нас постоянно окружают осколки когда-то разорвавшейся звезды, которые позже летали в космосе, объединились в туманность, и после образования в этой туманности молодой звезды (нашего Солнца) конденсировались в планеты.

cyclowiki.org

Ядерные реакции


Ядерные реакции


Законы сохранения в ядерных реакциях


    Общие закономерности применения законов сохранения к
реакциям были рассмотрены на семинаре 2. Там же была получена формула расчета
пороговой кинетической энергии падающей на неподвижную мишень частицы, при
которой возможна эндотермическая реакция (т.е. реакция с увеличением массы покоя
частиц в конечном состоянии Q = mi
— mf < 0
).



(14.1)

    Для частиц с массой покоя, равной 0, кинетические и полные
энергии совпадают. Поэтому пороговая энергия гамма-кванта в реакции (а) равна (см.
(2.18))


Tпор = [M(11C) + mn — M(12C)].
[M(11C) + mn + M(12C)]/2M(12C)
≈ Δ(11C) + Δn — Δ(12C)
=

= 10.65 + 8.07 — 0 = 18.72 МэВ.


(Величины избытков масс Δ можно найти в приложении к [4] и на сайте
ЦДФЭ (cdfe.sinp.msu.ru/services/gsp.en.html).

Аналогичный расчет для реакции протонного фоторасщепления (б) дает Tпор = 15.96 МэВ.

    Ядерные реакции часто могут протекать по разным
каналам реакции
. Фотоядерные реакции, рассмотренные в этой задаче,
при кинетических энергиях гамма-квантов выше, чем 18.72 МэВ, идут как по каналу
(a), так и по каналу (б).



Задача 14.2. Определить пороговую энергию протона в
реакции подхвата p + 13C12C
+ d, мишень — ядро 13С — считать покоящимся.

    Минимальная (пороговая) кинетическая энергия протона в
реакции равна (см. (2.19))


.


Во втором члене в скобках массы можно заменить массовыми
числами, а третьим членом в нерелятивистском случае можно пренебречь.



Законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, барионного
и электрического зарядов выполняются во всех реакциях. Закон сохранения
барионного заряда проявляется в ядерных реакциях в виде закона сохранения числа
нуклонов, что и было использовано при расчетах задач 14.1 и14.2 при переходе от
полных масс М к избыткам масс Δ = М — А.


    В ядерных реакциях, протекающих по сильным или
электромагнитным взаимодействиям выполняется также закон сохранения Р-четности.
Законы сохранения момента количества движения и Р-четности часто используют
вместе для получения
правил отбора.



Задача 14.3. Определить возможные значения
орбитального момента дейтрона в реакции p + 13C12C
+ d, если орбитальный момент протона равен 0.

    Закон сохранения момента импульса для данной реакции имеет
вид:


Закон сохранения  Р- четности: (+1)(-1)=(+1)(+1)(-1)ld, поэтому
ld — нечетное.

Единственным решением, удовлетворяющим  обоим законам сохранения является 
ld=1.

    В реакциях сильного взаимодействия выполняется также
закон сохранения изоспина
. Использование этого закона при анализе ядерных
реакций является одним из способов идентификации  значения  изоспина.



Задача 14.4. Какие состояния из приведенного на
схеме спектра   ядра 14N  могут  быть
возбуждены в реакциях неупругого рассеяния (,’),
(d,d’), (p,p’).


Анализ закона сохранения изоспина для реакций сильного взаимодействия


   

   


приводит к выводу, что уровень с изоспином 1 в этих реакциях не может быть
возбужден:   0 + 0 = 0 + I, I = 0.

    Для реакции неупругого рассеяния протонов

      

возможно возбуждение как состояний с изоспином 0, так и состояний с изоспином 1:

    0 +  = + ; 
I = 0,1.

Сравнения спектров возбуждения ядра 14N в реакциях (,’) и
(p,p’) позволяет установить, что изоспин первого возбужденного уровня ядра
14
N с энергией 2.31 МэВ имеет изоспин I = 1.



    Характеристикой вероятностей протекания ядерных реакций
является эффективное сечение реакции (см. семинар 2). Каждому каналу
реакции соответствует свое эффективное сечение.



Задача 14.5. Оценить отношение сечений двух каналов
реакции фоторасщепления ядра О-16:

а)
+ 16O15NGS
+ p;

б)
+ 16O15N*(JP
= 3/2) + p.

    Ядро 15N в основном состоянии имеет спин и
четность JP = 1/2 и представляет собой — согласно модели
оболочек — конфигурацию с одной «дыркой » относительно замкнутой подоболочки
(ядра О-16 в основном состоянии) с квантовыми числами (n+1)lh jh = 1p1/2.
Возбужденное состояние ядра 15N с JP = 3/2
— это «дырочное» состояние с (n+1)lh jh = 1p3/2,
т.е. «дырка» в подоболочке 1p3/2. Число протонов на замкнутой
подоболочке 1p1/2 равно 2, число протонов на замкнутой подоболочке 1p3/2
равно 4. Если энергия гамма-кванта значительно выше пороговых энергий обеих
реакций ( как (а), так и (б)), то отношение сечений этих реакций будет
определяться отношением вероятностей выбивания протона с подоболочек 1p1/2
и 1p3/2:


σаб1/2.


Ядерные реакции с нейтронами


    Как нейтроны, так и протоны участвуют в сильных
взаимодействиях с ядрами и нуклонами. Однако не обладающий электрическим зарядом
нейтрон не имеет кулоновского барьера в ядерных реакциях, поэтому ядерные
реакции под действием нейтронов играют особую роль в прикладной физике ядра.

    Получение радиоактивных изотопов для медицинских и
технических целей производится путем облучения нейтронами стабильных изотопов.
Источником нейтронов является, например, ядерный реактор. Рассмотрим получение
радиоактивного изотопа на примере реакции активации золота



Полученный изотоп золота с А = 198 – радиоактивный. Он распадается с периодом
полураспада Т1/2 = 2.7 суток



Рассмотрим изменение числа ядер золота 198 со временем, начиная от момента
начала облучения золота 197:



dN(t) = Inσdt — λN(t)dt

N(t) = Inσ(1-e-λt)/λ

(14.2)

Здесь I – поток нейтронов, n – число ядер золота 197 в образце, σ –
эффективное сечение реакции активации.



Задача  14.6. Определить   активность 
препарата золота — 198, наведенную при облучении образца золота — 197 массой
0.1 г в потоке тепловых нейтронов 1012
см-2 сек-1 в течение 1 часа. Эффективное сечение
активации золота тепловыми нейтронами составляет 97 барн.

Активностью называется число распадов данного препарата в   1
сек
. Активность равна вероятности распада на число ядер радиоактивного
изотопа в образце


J(t) = λN(t) = Inσ(1-e-λt)


При условии, что время облучения  t<<T1/2,


λt = t·ln2/T1/2<<1; (1-e-λt)1 — 1 + λt


Учитывая, что n = m·Na/A, где m – масса активируемого образца, 
NA – число Авогадро,получаем, что наведенная активность изотопа 
золота — 198 составляет



   Эффективные сечения реакций с нейтронами (как и других ядерных
реакций), зависят от кинетических энергий нейтронов. В случае, если захват
нейтронов приводит к экзотермической реакции — т.е. идет с выделением энергии, —
эффективное сечение захвата падает с ростом энергии в области Екин
<1эВ (приблизительно по закону σ ~ 1/v). В области 1 эВ
кин
< 1 МэВ сечение захвата проходит через несколько резонансных максимумов,
положение которых определено спектром энергий возбуждения ядра, получающего в
результате захвата нейтрона. При энергиях нейтрона выше резонансной области
эффективное сечение снова падает. Для большинства ядер примерный ход зависимости
сечения экзотермической реакции захвата σn = f(Eкин)
близок к показанному на рис.14.1. для эффективного сечения реакции деления
изотопов урана. Таким образом, уменьшение кинетической энергии нейтрона приводит
к увеличению эффективного сечения захвата нейтрона ядром мишени.

    Указанное в условиях задачи 14.6. значение эффективного
сечения активации золота соответствует энергии нейтронов, равной энергии
теплового движения. Такие энергии нейтронов достигаются путем замедления
нейтронов.


Замедление нейтронов

проводится с целью увеличения эффективных сечений реакций с нейтронами.

    Для замедления нейтронов используется упругое рассеяние
нейтронов на ядрах вещества. Сечение реакций упругого
рассеяния

нейтронов на ядрах стремится к константе при уменьшении кинетической энергии
нейтрона.

    При упругом рассеянии нейтронов на протонах в среднем за один
акт рассеяния нейтрон теряет половину своей энергии:



EN = EN-1cos2;   

(14.3)

Здесь ЕN – кинетическая энергия нейтрона после N-го акта рассеяния
на протоне.


(Докажите это соотношение, применив законы сохранения энергии и импульса к
реакции рассеяния нейтрона на протоне; учтите при этом, что mnmp).


    Таким образом, в качестве замедлителя может использоваться
любое водородосодержащее вещество – вода, парафин и т.д. Однако в ряде
приложений нейтронной физики, например, для поддержания цепной реакции деления,
важной характеристикой замедлителя является малое эффективное сечение захвата
нейтронов замедлителем. В этих случаях выбор замедлителя определяется как
эффективностью процесса уменьшения энергии нейтрона в замедлителе, так и низким
сечением захвата нейтронов. По этим характеристикам хорошими замедлителями
являются тяжелая вода (D2O) и графит. ( При использовании в качестве
замедлителя воды или других водородосодержащих веществ происходит значительный
захват нейтронов за счет реакции 1H(n,)2H).


При упругом рассеянии нейтронов на более тяжелых ядрах средние потери
кинетических энергий нейтрона меньше, чем при рассеянии на протонах. Например,
при рассеянии нейтронов на ядрах 12С

    Снижение кинетических энергий нейтронов в процессах рассеяния
происходит вплоть до энергий теплового движения молекул в веществе
замедлителя. В этой области энергий распределение нейтронов по скоростям и
кинетическим энергиям близко к распределению Максвелла. Оценим среднюю
кинетическую энергию тепловых нейтронов при температуре замедлителя около 300о
К:


 



Задача  14.7. Найти среднюю кинетическую
энергию «теплового» нейтрона при
температуре около 300К. Оценить среднее число актов упругого рассеяния
нейтрона на протоне, необходимых для уменьшения кинетической энергии
нейтрона от 4 МэВ до энергии теплового движения.

    Средняя кинетическая энергия теплового движения частицы с
3 степенями свободы равна Екин = (3/2)kT, где k — константа
Больцмана. (k = 8.62.10-11 МэВ/K).


Eкин = 3kT/20.04 эВ


Если в одном акте упругого рассеяния теряется около 1/2 кинетической энергии
нейтрона, то среднее число актов рассеяния, необходимое для замедления, равно
~27, действительно



Цепная реакция деления


    Реакция распада атомного ядра на два фрагмента сравнимой
массы называется делением. Деление бывает спонтанным и вынужденным (т.е.
вызванным взаимодействием с налетающей частицей). Реакция деления тяжелых ядер
под действием нейтронов лежит в основе методов получения ядерной энергии. По
кривой зависимости удельной энергии связи ядер от числа нуклонов А можно
оценить, какая энергия выделяется при превращении одного ядра с А  200 в два ядра с меньшими числа нуклонов.
Поскольку для тяжелых ядер энергия связи на нуклон около 7.5 МэВ, а для средних
– 8.5 МэВ, при делении этого ядра выделится энергия ~200 МэВ.

    Основная часть энергии деления превращается в кинетическую
энергию “осколков” – т.е. получившихся в результате деления
ядер.   Осколки, как правило, не имеют равных масс, в среднем
отношение из масс равно 1.46). Очень важной особенностью деления является то,
что для тяжелых ядер деление идет с испусканием нейтронов, как показывает пример
вынужденного деления урана-235:



n + 235U95Sr + 139Xe +
2n.

(14.4)



Рис.14.1. Эффективные сечения реакции деления изотопов урана под действием
нейтронов (n,f)
как функция кинетической энергии нейтрона. (Логарифмический масштаб по обеим
осям).


   Помимо реакции (14.4) вынужденное деление изотопа урана U-235
идет по десяткам других каналов деления. Важнейшей особенностью реакций
вынужденного деления ядер U-235 является тот факт, что для этого изотопа реакции
деления (n,f) не имеют энергетического порога, т.е. могут происходить на
тепловых нейтронах и поэтому имеют большие эффективные сечения. В среднем на
один акт деления изотопа 235U тепловыми нейтронам появляется 2.43
быстрых нейтрона. Именно те элементы, ядра которых при вынужденном делении дают
2-4 нейтрона в среднем на каждый акт деления, могут быть использованы для
поддержания цепной реакции деления. Цепная реакция деления будет поддерживаться
в том случае, если число нейтронов в одном поколении выше числа нейтронов в
предыдущем поколении. Реактор АЭС работает при коэффициенте размножения
нейтронов k > 1, поскольку часть родившихся нейтронов теряется за счет вылета за
пределы реактора и за счет других реакций (например, реакций захвата (n,)).
Масса делящегося элемента не может быть меньше т.н. критической массы, а размер активной зоны, в
которой происходит деление – меньше критическогоо
размера
.


    Практически используются для получения управляемой цепной
реакции деления всего три изотопа 235U, 238U, 239Pu,
причем третий изотоп – плутоний 239 – изготовляется в урановых ядерных
реакторах. Изотоп 238U испытывает деление только под действием
быстрых нейтронов с энергиями не ниже 1.1 МэВ.

    Большинство промышленных ядерных реакторов (АЭС) работают на
обогащенном уране, т.е. смеси изотопов 238U и 235U, в
которой процентное содержание 235U значительно превышает долю этого
изотопа в естественной смеси (около 4.5 % вместо ~0.7%). Это так называемый «низкообогащенный»
уран. (Смесь изотопов урана с большим, чем 6%, содержанием 235U — «высокообогащенный»
уран — является материалом, используемым для изготовления ядерного оружия.)
Цепная реакция деления под действием тепловых нейтронов происходит на изотопе
235
U. Этот изотоп урана под действием тепловых нейтронов делится на два
осколка – ядра с массовыми числами от 72 до 161 и числами протонов от 30 до 65.
Например, (14.4).

    Полное эффективное сечение реакций деления 235U(n,f)
для тепловых нейтронов составляет около 580 барн.

    Реакция деления изотопа 238U — пороговая, этот
изотоп делится только при энергиях нейтрона выше 1.1 МэВ, т.е. «быстрыми»
нейтронами. Однако эффективное сечение этой реакции деления значительно ниже,
чем сечение деления 235U(n,f) под действием тепловых нейтронов (см.
рис.14.1).






Задача  14.8. Оценить энергию, выделившуюся в
реакции вынужденного деления (14.4). Кинетические энергии нейтронов,
вызывающих деление 235U, считать тепловыми.

    Энергия, выделившаяся в реакции, практически совпадает с
разностью масс покоя ядер и нейтронов левой и правой частей (14.4), поскольку
кинетической энергией тепловых нейтронов (~0.04 эВ) в балансе энергий можно
пренебречь.


E = mn + M(235U) — M(95Sr) —
M(139Xe) — 2mn = Δ(235U)
— Δ(95Sr)
— Δ(139Xe)
— Δn =

= 40.92 + 75.05 + 75.69 — 8.07 = 182.59 МэВ.


Эта энергия распределяется между «осколками» деления и нейтронами,
испущенными в реакции деления.

    Рождающиеся в процессе деления (например,14.4) нейтроны –
быстрые
. Их необходимо замедлить до скоростей теплового движения,
чтобы использовать для деления других ядер 235U – то есть для
поддержания цепной реакции. С этой целью используются материалы, состоящие из
элементов с малым значением А. Чем меньше А, тем быстрее происходит замедление
нейтронов. (Замедление нейтронов происходит в реакции упругого рассеяния
нейтрона на ядрах замедлителя). Другим обязательным качеством замедлителя
является низкое значение эффективного сечения поглощения нейтронов. Таким
требованиям соответствует тяжелая вода, которая используется в гомогенных
реакторах. В гетерогенных реакторах в качестве замедлителя, как правило,
используется графит. В этом случае замедление нейтронов происходит на ядрах
углерода.


Одновременно с цепной реакцией деления 235U идет захват нейтронов
изотопом 238U с последующим превращением его в плутоний:


n + 238U239U
+ ;
239U239Np
+ e
+ e;
239Np239Pu
+ e
+ e.


    Образующийся в результате работы АЭС плутоний также
способен поддерживать цепную реакцию деления под действием медленных нейтронов.
Его используют как в АЭС, так и при производстве ядерного оружия.

    В результате реакций деления появляются нестабильные ядра
(«осколки» деления), “пересыщенные” нейтронами и испытывающие далее бета-распады
и гамма-переходы. Поэтому продукты деления имеют высокую радиоактивность.










nuclphys.sinp.msu.ru

Ядерные реакции. Атомная физика :: Класс!ная физика

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

— это искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами ( протонами, нейтронами, альфа-частицами, гамма-частицами) или другими ядрами.

Условие, когда протекание ядерной реакции становится возможным:

— когда ядро и частица (или другое ядро) сближаются на расстояния, при которых начинают действовать ядерные силы.

Так как в реакцию могут вступать ядро и положительно заряженная частица (протон), то необходимо преодолеть возникающие между ними силы отталкивания. Это возможно при больших скоростях частиц.
Такие скорости достигаются в ускорителях элементарных частиц.

Источниками заряженных частиц для проведения ядерных реакций могут быть:

— естественные радиоактивные элементы
— ускорители элементарных частиц
— космическое излучение.

Как происходят ядерные реакции?

Превращения ядер сопровождается изменением их внутренней энергии (энергии связи).
Разность сумм энергии покоя ядер и частиц до реакции и после реакции называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Расчет энергетического выхода ядерной реакции:

— рассчитать сумму масс  (m1) ядер и  частиц до реакции;
— рассчитать сумму масс ( m2) ядер и  частиц  после  реакции;
— рассчитать изменение массы

— рассчитать энергетический выход реакции, т.е. изменение энергии равно произведению изменения массы на квадрат скорости света.

При ядерных реакциях всегда выполняются законы сохранения массовых и зарядовых чисел.

Выделение или поглощение энергии?

Ядерная реакция может проходить с выделением энергии и с поглощением энергии.

Изменение внутренней энергии частиц в результате ядерной реакции связано с изменением масс покоя частиц.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, меньше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается поглощение энергии.

Если сумма масс ядер и частиц (m1), вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс ядер и частиц (m2), возникающих в результате реакции, то наблюдается выделение энергии.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ НА НЕЙТРОНАХ

Так как нейтроны лишены заряда, они легко проникают в атомные ядра и вызывают их превращения.
Ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, причем даже более эффективно.

Для получения управляемой ядерной реакции быстрые нейтроны надо замедлять.
Замедлителем может служить обыкновенная вода, так как в ней содержится большое количество протонов (ядер водорода), масса которых почти равна массе нейтронов.
При столкновении одинаковых по массе частиц происходит интенсивная передача энергии от налетающего нейтрона протону.

ИСКУССТВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР

Реакция превращения одного ядра в другое в лабораторных условиях была впервые осуществлена Э. Резерфордом.

Он обнаружил, что для разрушения или превращения ядра нужна большая энергия.
Наиболее подходящими «снарядами», обладающими достаточной для разрушения ядра энергией, были альфа-частицы.
Первым ядром, подвергшимся искусственному превращению, было ядро азота. В результате бомбардировки ядра азота альфа-частицами оно превращается в ядро изотопа кислорода с испусканием протонов- ядер атома водорода.
Другие ученые заметили превращение ядер фтора, натрия, алюминия и др.

Ядра элементов, размещающихся в конце таблицы Менделеева, не испытывали таких превращений., т.к. из-за их большого электрического заряда альфа-частицы отталкивались. не вступая во взаимодействие.

Вспомни тему «Атомная физика» за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме «Атомная физика» за 10-11 класс:

Строение атома
Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика

www.class-fizika.narod.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о