Физика ядерная реакция: Ядерные реакции - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Ядерные реакции

11.3 Открытие нейтрона и его свойства

    Ядерные реакции под действием нейтронов занимают особое место в ядерной физике. Из-за того, что нейтрон не имеет электрического заряда, он свободно проникает в любые атомные ядра и вызывает ядерные реакции. Рассмотрим сначала свойства нейтрона.
    Нейтрон был открыт после предсказания Резерфорда, сделанного в 1920 году.
    В опытах Бете и Беккера (1930 год) ядра бериллия облучались α-частицами и было зарегистрировано нейтральное излучение, природа которого не была определена.

α + Be → нейтральное излучение (какое?, γ?).

В опытах Жолио-Кюри (1932 год) α-частицы направлялись на бериллиевую мишень, а затем на парафиновую, чтобы определить природу нейтрального излучения. После парафиновой мишени наблюдался выход протонов. Схема опыта показана ниже.

α + Be → парафин → p

Регистрировались протоны отдачи с Е_р = 4.3 МэВ. Возник вопрос: под действием каких частиц они образовывались?

Если бы они вызывались γ-квантами, то энергия γ-квантов Е_γ должна была быть ~ 50 МэВ.

γ-кванты с такой энергией не могли появиться из указанной реакции.
Чедвик проанализировал эти эксперименты и предположил, что в результате реакции вылетают нейтральные частицы с массой, сравнимой с массой протона. Далее он поставил опыт в камере Вильсона и наблюдал ядра отдачи азота. Он сравнил эти результаты с результатами опытов Жолио-Кюри, в которых регистрировались протоны отдачи из парафина, и определил массу этой нейтральной частицы из законов сохранения энергии

и импульса

m₁v = m₁v₁ + m_pv_p;

где N − ядро азота; v₁ − скорость нейтральной частицы после столкновения; m₁ − масса нейтральной частицы. Она оказалась близкой к массе протона

m₁ ≈ m_p.

Таким образом, стало ясно, что в опытах Жолио-Кюри протекала реакция, в которой испускались нейтральные частицы − нейтроны:

α + ⁹Ве → ¹²С+ n.

Они, попадая на парафин, выбивали протоны отдачи с энергией Е_р = 4.3 МэВ.

    Свойства нейтрона, полученные из многочисленных экспериментов, представлены ниже:
    масса − m_nc² = 939.5 МэВ, m_n = 1.008665 а. е. м.,
    магнитный момент − μ_n = −1.91μ_я,
    спин − J = ћ/2,
    время жизни − τ_n = (10.61 ±0.16) мин,
    среднеквадратичный радиус − <r_n²> = (0.78 ± 0.18)·10^-2 фм².

Ядерные реакции не только дают новые сведения о природе и свойствах ядерных сил, но и практически используются в народном хозяйстве и в военном деле. Это в первую очередь относится к ядерным реакциям под действием нейтронов при низких энергиях.

11.4 Источники нейтронов

Источники нейтронов − это различные ядерные реакции.

Рис.

88: Спектр нейтронов.

1. Используется смесь радия с бериллием (иногда полония с бериллием), где протекает реакция

α + ⁹Ве → ¹²С+ n + 5.5 МэВ.

Кинетическая энергия нейтрона Т распределена по спектру
(рис. 88).
При распаде Ra образуются α-частицы с энергией 4.8 МэВ и 7.7 МэВ. Они вступают в реакцию с ⁹Ве и генерируют поток нейтронов. Разброс по энергии нейтронов связан с тем, что α-частицы разных энергий создают нейтроны разных энергий. Ядро углерода

12C образуется в основном и возбужденном состояниях.
Выход нейтронов ~ 10⁷ нейтронов на 1 г Ra в секунду. Одновременно испускаются γ-лучи.

2. Другие источники нейтронов − фотоядерные реакции (γ,n), в которых получаются медленные и монохроматические нейтроны.

γ + ²H → p + n, Q = -2.23 МэВ.

Используется ThC” (²⁰⁸Tl). Он испускает γ-кванты с Е_γ ~ 2. 62 МэВ и Е_n~ Е_р

; Т_n ~20 кэВ.

3. Фоторасщепление Be фотонами с энергией Е_γ = 1.78 МэВ

γ + ⁹Ве → ⁸Ве + n, Q = -1.65 МэВ; Т_n~ 100 кэВ.

4. Вылет нейтронов под действием ускоренных дейтонов с E_d = 16 МэВ в реакции

²H + ⁹Be → ¹⁰B + n + 4.3 МэВ.

Е_n = 4 МэВ, выход 10⁶ нейтронов в секунду.

5. Реакция ²H + ²H → ³Не + n + 3.2 МэВ,
D + D (лед из тяжелой воды), i?n = 2.5 МэВ.

6. Облучение дейтонами трития

²H + ³H → ⁴Не + n + 17.6 МэВ.

Поскольку эта реакция экзотермическая, дейтоны ускоряются до энергии E_d = 0.3 МэВ в газоразрядных трубках. Образуются монохроматические нейтроны с Е_n ~ 14 МэВ.
Этот источник нейтронов используется в геологии.

7. В реакциях срыва под действием дейтонов с E_d ~ 200 МэВ на тяжелых ядрах образуются n с
Е_n ~ 100 МэВ.

11.5 Ядерные реакторы, цепная ядерная реакция

Самый мощный источник нейтронов − ядерные реакторы − устройства, в которых поддерживается управляемая цепная реакция деления.
В реакторе происходит деление ядер U и образуются нейтроны с Е

n от 0 до 13 МэВ, интенсивность источника 10¹⁹ нейтронов/с см2. Процесс деления идет под действием нейтронов, беспрепятственно проникающих в ядра из-за отсутствия кулоновского потенциального барьера.
При делении ядра образуются радиоактивные осколки и испускается 2-3 n, которые снова вступают в реакцию с ядрами U; идет цепной процесс (рис. 89).

n + ²³⁵U → ²³⁶U → ¹³⁹La + ⁹⁵Мо + 2n

Рис. 89: Иллюстрация деления ядра 235U.

Для описания процесса деления ²³⁵U используется модель жидкой капли, в которой работает формула Вайцзеккера.

После попадания нейтрона в ядро урана происходит конкуренция между поверхностной энергией нового ядра и энергией кулоновского расталкивания. В итоге под действием кулоновских сил ядро делится на два более легких ядра.
Энергия Q, освобождающаяся при делении ядра (A,Z)

(A,Z) → 2(A/2,Z/2) + Q,

вычисляется с использованием формулы Вайцзеккера

Q = 2ε(A/2,Z/2) − ε(A,Z) = (1 − 2^1/3)·а_сим·A^2/3 + (1 − 2^2/3)·а_кул·Z²·A^-1/3;

Q (МэВ) = -4.5A^2/3 + 0.26·Z²

A^-1/3, ε − удельная энергия связи: Е_св/А. Для ядра ²³⁵U Q = 180 МэВ.

Рис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E₀ − основное состояние, E₀ + Е_а − возбужденное состояние, Е_а − энергия активации.

Для того, чтобы ядро разделилось, в него должна быть внесена энергия Е > Е_а, где Е_аРис. 90: Потенциальная энергия ядра в зависимости от расстояния до центра ядра (сплошная кривая), E

0 − основное состояние, E₀ + Е_а − возбужденное состояние, Е_а − энергия активации
(рис. 90).
Мерой способности ядер к делению служит отношение энергии кулоновского отталкивания протонов к энергии поверхностного натяжения:

где Z²/A − параметр деления, чем он больше, тем легче ядро делится; Z²/A = 49 критическое значение параметра деления.
Иллюстрация процесса деления ядра приведена на рис. 91.
В ядерном реакторе процесс деления ядер многократно повторяется в результате образования многих поколений деления. В 1-м акте деления ²³⁵

U возникает в среднем 2.4 нейтрона. Время жизни одного поколения ~ 10 с. Если происходит рождение K поколений, то образуется ~ 2^K нейтронов через время ~ 2·10^-6 с.

Если K = 80, число нейтронов будет 2⁸⁰ ~ 10²⁴ − это приведет к делению 10²⁴ атомов (140 г урана). Выделяющаяся при этом энергия 3·10¹³ вт равна энергии, образующейся при сжигании 1000 тонн нефти.

Рис. 91: Процесс деления ядра, протекающий в ядерном реакторе.

В реакциях деления энергия выделяется в виде тепла. Отвод тепла из реактора осуществляется теплоносителем, к которому предъявляются особые требования. Он должен обладать большой теплоемкостью, слабо поглощать нейтроны и иметь низкую химическую активность. Не будем обсуждать конструктивные особенности элементов ядерного реактора. Заметим только, что при попадании тепловых нейтронов на ядро

235U образуются быстрые нейтроны, а реакция идет только на медленных нейтронах. Следовательно, необходимо замедлить быстрые нейтроны. Это происходит в замедлителе. В качестве замедлителя используется углерод или тяжелая вода. Остановка процесса деления реализуется с помощью ядер кадмия, которые захватывают образующиеся нейтроны.

Таким образом, в конструкцию ядерного реактора обязательно входит замедлитель нейтронов (углерод) и кадмиевые стержни, поглощающие образующиеся нейтроны.
    В реакторах используется природный уран ₂₃₈U (99.3%) и обогащенный ₂₃₅U (0.7%). ²³⁵U делится под действием тепловых нейтронов. ₂₃₈U используется в реакторах на быстрых нейтронах.
    Процессы, происходящие в реакторе, характеризуются следующими вероятностями:
    ν − количество образованных быстрых нейтронов;
    ε − коэффициент размножения быстрых нейтронов;
    Р − вероятность нейтрону дойти до тепловой энергии;
    ƒ − вероятность захвата нейтрона в процессе замедления;
    σ_t/σ_tot − вероятность вызвать реакцию деления.

Произведение этих вероятностей дает оценку коэффициента размножения k тепловых нейтронов в ядерном реакторе:

    Цепная реакция идет, если k > 1; входящие в коэффициент размножения величины имеют следующие значения: ν = 2. 47; ε = 1.02; Р = 0.89; ƒ = 0.88; σ_t/σ_tot = 0.54.
    Таким образом, k_∞ = 1.07 для реактора бесконечных размеров. В реальных условиях к_эф < k_∞, т.к. часть нейтронов уходит из реактора.
    В реакторах на быстрых нейтронах (²³⁹Ри и ²³⁸U) происходит следующий процесс:

    В результате этой реакции воспроизводится ²³⁹Рu. Образовавшийся плутоний вступает в реакцию с нейтроном: n + ²³⁹Рu, образуется ν = 2.41 нейтронов.
    Число ядер ²³⁹Ри удваивается через каждые 7-10 лет.
    Реакция деления атомных ядер используется для получения атомной энергии. Ядерные реакторы работают на многих атомных электростанциях.

11.6 Реакции слияния, синтез легких ядер

Другим источником атомной энергии может служить синтез легких атомных ядер. Легкие ядра связаны менее прочно, и при их слиянии в тяжелое ядро выделяется больше энергии. Кроме того, термоядерные реакции чище из-за отсутствия сопровождающих их радиоактивных излучений, чем цепные реакции деления.
Для получения термоядерной энергии могут быть использованы следующие реакции синтеза:

d + d = ³He + n + 4 МэВ,
d + d = t + р + 3.25 МэВ,
d + t = ⁴Не + n + 17.б МэВ,
³Не + d = ⁴Нe + р + 18.3 МэВ,
⁶Li + 2di = 2 ⁴Не + 22.4 МэВ. J

Рис. 92: Зависимость эффективного сечения слияния ядер от их кинетической энергии. σ_ƒ − сечение реакции.

Энергия ядер, вступающих в реакцию, должна быть достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. На рис. 92 показана энергетическая зависимость сечений некоторых реакций. Как видно из рисунка, синтез ядер дейтерия d и трития t является наиболее предпочтительным. В этой реакции синтеза низок кулоновский потенциальный барьер и велико сечение взаимодействия при малых энергиях сливающихся ядер. Для протекания реакции необходимо иметь достаточную концентрацию этих ядер в единице объема и достаточную температуру разогретой плазмы.
Число актов слияния R_ab в единицу времени в единице объема определяется соотношением

R_ab = n_a·n_b·w_ab(T).
w_ab(T) = σ_ab·v_ab,

где n_a, n_b − число ядер a, b; σ_ab − эффективное сечение реакции, v_ab − относительная скорость частиц в плазме, Т − температура. В результате реакции освобождается энергия

W = R_ab·Q_ab·τ,

где R_ab − число актов слияния, Q_ab − энергия, выделившаяся в 1 акте, τ − время.
Пусть n_a = n_b = 10¹⁵ ядер/см³, Т = 100 кэВ. Тогда W ~ 10³ вт/см³ с.
В самоподдерживающейся термоядерной реакции должно выделяться больше энергии, чем идет на нагрев и удержание плазмы. Затраты на нагрев n_a = n_b = 2n частиц до температуры Т: 3n·kТ: k − постоянная Больцмана. Таким образом, надо удовлетворить условию:

n²·w_ab·Q_ab·τ > 3nkТ

(высвобождающаяся энергия > энергии нагрева).
Лоусон сформулировал следующее условие для реакции слияния d + t:

nτ > 10¹⁴ с·см^-3,

где nτ − параметр удержания. На рис. 93 показана зависимость этого параметра от температуры. Реакция идет, если nτ > ƒ(T). Температура Т ~ 2·10⁸ K соответствует энергии 10 кэВ. Минимальное значение параметра удержания nτ = 10¹⁴ с/см³ для реакции d + t достигается при температуре 2·10⁸ K.

Рис. 93: Зависимость параметров удержания от температуры. Заштрихованная область ƒ(Т) − зона управляемого термоядерного синтеза для реакции d + t. • − значения параметров, достигнутые на различных установках к 1980 году.

Для других реакций:

    Удержание плазмы, имеющей необходимые условия для протекания реакции, реализуется в установках типа Токамак с помощью магнитного поля. Такие установки работают в России и в ряде других стран. Как видно из рис. 93, режим управляемого термоядерного синтеза пока не достигнут.
    Делаются попытки получить необходимые для термоядерного синтеза условия с помощью лазерных установок. В этом случае небольшой объем, в котором заключены ядра дейтерия и трития, обжимается со всех сторон лазерным излучением. При этом ядра дейтерия и трития нагреваются до нужной температуры. Лазерный термояд требует введения коэффициента 100, т.к. велика бесполезная энергия, идущая на накачку лазера.
    Попытки осуществить управляемый термоядерный синтез в лабораторных условиях наталкиваются на ряд трудностей.

1. До сих пор не удается получить устойчивый режим высокотемпературной плазмы.
2. Велики энергетические потери в плазме даже из-за малых концентраций примесей атомов с большими Z.
3. Не решена “проблема первой стенки” в Токамаке, ограничивающей плазму реактора (поток нейтронов ее разрушает).
4. В природе отсутствует радиоактивный тритий t с периодом полураспада Т_1/2 = 12.5 лет, поэтому существует проблема воспроизводства трития в реакции

n + ⁷Li = α + t + n.

До сих пор не удалось преодолеть эти трудности и получить управляемую термоядерную реакцию синтеза.
В естественных условиях реакции термоядерного синтеза протекают на Солнце и в звездах.

Литература

1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.
2. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. -М.: УППС, 2002.

Ядерные реакции

    Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в такой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того, как Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию, до появления первой модели ядерной реакции прошло довольно много лет. α-Частицы от радиоактивных источников могли эффективно преодолеть кулоновский барьер только на самых легких ядрах. С появлением ускорителей ситуация радикально изменилась, теперь можно было бомбардировать ядра не только α-частицами. Повысились энергии и интенсивности пучков частиц.
    Первая модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это была модель Оппенгеймера – Филлипс, предложенная для интерпретации реакции (d,p) при низких энергиях.
    Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгое время был связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая была предложена в 1936 году Н. Бором для объяснения резонансной структуры сечений захвата нейтронов и протонов низких энергий атомными ядрами. Ширина этих резонансов была очень небольшой (~0.1 эВ) и они располагались близко друг к другу. Возникновение таких узких резонансов можно понять, если предположить, что из-за сильного взаимодействия между нуклонами кинетическая энергия налетающей частицы быстро перераспределяется между все большим количеством нуклонов. В результате образуется равновесная система, так называемое составное ядро. Из-за того, что энергия в составном ядре статистически распределена между многими нуклонами вероятность того, что один из нуклонов будет иметь энергию, достаточную для вылета из ядра мала, а время жизни такого ядра велико (10^-14 – 10^-18 с). Эмиссия из такой системы определяется константами движения и геометрическими параметрами всего составного ядра как целого и не зависит от способа его образования (гипотеза независимости Бора), то-есть сечение реакции может быть факторизовано

где σ_с – сечение образования составного ядра, Г_b – ширина распада составного ядра по каналу b, Г – полная ширина распада составного ядра.
    Первое количественное описание реакции, идущей через компаунд-ядро, было получено Г. Брейтом и Е. Вигнером в 1936 году.
    Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила феноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937 году. В 30-50-х годах на основе “первых принципов” развивалась формальная теория ядерных реакций. Различные варианты формальной теории не содержали конкретных физических предположений таких, например, как гипотеза независимости, и в принципе могли описывать различные механизмы ядерных реакций. Однако применение их для практических расчетов было связано с большими трудностями. Тем не менее развитые в этих работах подходы позволили глубже понять физику процессов, происходящих в ядре и были использованы при создании моделей.
    К началу 50-х годов создание последовательной теории реакций, идущих через составное ядро, было в основном завершено. С помощью теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальных данных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав в ядро, должна поглотиться (модель “черного” ядра), т.е. одночастичное движение должно полностью затухнуть. Однако начали появляться экспериментальные данные, которые свидетельствовали, что одночастичное движение не затухает полностью.

Рис. 9. Экспериментальные данные по упругому рассеянию протонов и результаты расчетов по оптической модели

Для описания усредненного поведения сечений Г. Фешбах, К. Портер и В. Вайскопф в 1954 году предложили оптическую модель, которая получила свое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением света через полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядро может быть описано комплексной потенциальной ямой

U(r) = V(r) + iW(r),

где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего пучка.
Успехи оптической модели в описании упругого рассеяния (см. рис.9) привели к пониманию механизма протекания прямых ядерных реакций, в принципе отличающегося от механизма протекания ядерных реакций через составное ядро. Малая величина мнимой части оптического потенциала, полученного из эксперимента (несколько МэВ) указывает на довольно большую длину свободного пробега нуклона в ядре. Таким образом, существует заметная вероятность того, что налетающий нуклон испытает одно взаимодействие с нуклоном ядра мишени, после чего один из этих нуклонов покинет ядро. Первая модель для описания прямых механизмов в реакциях (d,p) была предложена в 1950 году С. Батлером. Предполагая поверхностный характер реакции, можно с помощью простых квазиклассических соображений объяснить появление максимумов в угловых распределениях. Такие максимумы должны появляться при углах, для которых выполняется условие

l = qR,

где l – переданный ядру орбитальный момент, q – переданный импульс, R – радиус ядра. В середине 50-х годов для описания прямых механизмов был развит метод искаженных волн (МИВ), который можно рассматривать как обобщение оптической модели на неупругие каналы. В МИВ используется то, что в прямых реакциях налетающая частица передает свою энергию и импульс небольшому числу степеней свободы ядра. Это позволяет получить приближенное решение многочастичного уравнения Шредингера, используя теорию возмущения. Полный гамильтониан системы записывается в виде

H = H⁰ + H^ост,

где H⁰ – гамильтониан системы из двух частиц, взаимодействие между которыми описывается оптическим потенциалом V^опт, H^ост – гамильтониан остаточного взаимодействия, который рассматривается как малое возмущение, переводящее систему в конечное состояние. Процесс ядерной реакции разбивается на 3 этапа.

Движение налетающей частицы в “искажающем” (оптическом) потенциале ядра мишени.
Передача нуклонов под действием остаточного взаимодействия
Движение вылетающей частицы в поле конечного ядра.

Модели прямых ядерных реакций использовались в основном для описания жесткой части энергетических спектров продуктов реакций, которая связана с возбуждениями изолированных состояний конечных ядер (рис.10).

Рис. 10. Экспериментальные угловые распределения для различных состояний конечного ядра ⁵⁹Ni, возбуждаемых в реакции ⁵⁸Ni(d,p)⁵⁹Ni при энергии Ed = 15 МэВ, и результаты расчетов по методу искаженных волн.

Все четыре случая различаются передачей орбитального момента l

Модели, использующие концепцию составного ядра претендовали на описание непрерывного спектра. Действительно, в спектрах вылетающих частиц при энергиях ускоряемых ионов, достижимых в обычных циклотронах, непосредственно за областью дискретных пиков начиналось характерное для процесса испарения непрерывное распределение. Однако по мере увеличения энергий ускоряемых ионов, в основном связанном со строительством изохронных циклотронов (Развитие ускорительной техники происходило так, что от циклотронов, ускоряющих, например, протоны до энергий ~10 Мэв сразу перешли к ускорителям на сотни МэВ. Область десятков МэВ долгое время была слабо исследована.), увеличивалась область между пиками, связанными с возбуждением дискретных состояний конечных ядер и испарительным распределением (см. рис.11), которую не могли адекватно описать существующие модели.

Рис. 11. Спектры протонов из реакции ⁵⁹Fe (p,p’), измеренные под углом 30⁰ в л.с. при энергиях протонов 28.8 и 61.7 МэВ

Высказывалось предположение, что эта область спектра формируется в результате процессов происходящих во время движения составной системы к равновесному состоянию – составному ядру. После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметился экспоненциальный рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных так называемым предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессы делят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходит эволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы, связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми состояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя бы один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых состояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи.
В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был открыт новый тип ядерных реакций – реакции глубоконеупругих передач. Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями с легкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса – двойной ядерной системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения ядер. Однако несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое, однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и центробежные силы превосходят силы притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительное количество нуклонов. Более глубокое понимание механизма взаимодействия двух сложных ядер помогает в поиске оптимальных способов синтеза экзотических и сверхтяжелых ядер.

Подробнее см. Ядерные реакции

Ядерные реакции – Класс!ная физика

Ядерные реакции

Подробности: Просмотров: 284

– 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.

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

Ядерные реакции: просто и понятно

Определение

Немного истории

Какие ядерные реакции есть в физике

Деление атомных ядер

Термоядерные реакции

Видео

Расщепление ядра атома и способность использовать ядерную энергию, как в созидательных (атомная энергетика), так и разрушительных (атомная бомба) целях стало, пожалуй, одним из самых значимых изобретений прошлого ХХ века. Ну а в основе всей той грозной силы, что таиться в недрах крохотного атома лежат ядерные реакции.

Определение

Под ядерными реакциями в физике понимается процесс взаимодействия атомного ядра с другим подобным ему ядром либо разными элементарными частичками, в результате чего происходит изменения состава и структуры ядра.

Немного истории

Первая ядерная реакция в истории была сделана великим ученым Резерфордом в далеком 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Ученый бомбардировал атомы азота альфа частицами, и при соударении частиц происходила ядерная реакция.

А так выглядело уравнение этой ядерной реакции. Именно Резерфорду принадлежит заслуга открытия ядерных реакций.

Затем последовали многочисленные опыты ученых по осуществлению различных типов ядерных реакций, например, весьма интересной и значимой для науки была ядерная реакция, вызванная бомбардировкой атомных ядер нейтронами, которую провел выдающийся итальянский физик Э. Ферми. В частности Ферми обнаружил, что ядерные преобразования могут быть вызваны не только быстрыми нейтронами, но и медленными, который двигаются с тепловыми скоростями. К слову ядерные реакции, вызванные воздействием температуры, получили название термоядерных. Что же касается ядерных реакций под действием нейтронов, то они очень быстро получили свое развитие в науке, да еще какое, об этом читайте дальше.

Типичная формула ядерной реакции.

Какие ядерные реакции есть в физике

В целом известные на сегодняшний день ядерные реакции можно разделить на:

деление атомных ядер
термоядерные реакции

Ниже детально напишем о каждой из них.

Деление атомных ядер

Реакция деления атомных ядер подразумевает распад собственно ядра атома на две части. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деления ядер атома урана, продолжая исследования своих ученых предшественников, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической таблицы Менделеева, а именно радиоактивные изотопы бария, криптона и некоторых других элементов. К сожалению, эти знания первоначально были использованы в ужасающих, разрушительных целях, ведь началась вторая мировая война и немецкие, а с другой стороны, американские и советские ученые наперегонки занимались разработкой ядерного оружия (в основе которого была ядерная реакция урана), закончившейся печально известными «ядерными грибами» над японскими городами Хиросимой и Нагасаки.

Но вернемся к физике, ядерная реакция урана при расщеплении его ядра обладает просто таки колоссальной энергией, которую наука смогла поставить себе на службу. Как же происходит подобная ядерная реакция? Как мы написали выше, она происходит вследствие бомбардировки ядра атома урана нейтронами, от чего ядро раскалывается, при этом возникает огромная кинетическая энергия, порядка 200 МэВ. Но что самое интересное, в качестве продукта ядерной реакции деления ядра урана от столкновения с нейтроном, возникает несколько свободных новых нейтронов, которые, в свою очередь, сталкиваются с новыми ядрами, раскалывают их, и так далее. В результате нейтронов становится еще больше и еще больше ядер урана раскалывается от столкновений с ними – возникает самая настоящая цепная ядерная реакция.

Вот так она выглядит на схеме.

При этом коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы, это необходимое условие ядерной реакции подобного вида. Иными словами, в каждом последующем поколении нейтронов, образованных после распада ядер, их должно быть больше, нежели в предыдущем.

Стоит заметить, что по похожему принципу ядерные реакции при бомбардировке могут проходить и во время деления ядер атомов некоторых других элементов, с теми нюансами, что ядра могут бомбардироваться самыми разными элементарными частичками, да и продукты таких ядерных реакций будут разниться, чтобы описать их более детально, нужна целая научная монография

Термоядерные реакции

В основе термоядерных реакций лежат реакции синтеза, то есть, по сути, происходит процесс обратный делению, ядра атомов не раскалываются на части, а наоборот сливаются друг с другом. При этом также происходит выделение большого количества энергии.

Термоядерные реакции, как это следует из самого из названия (термо – температура) могут протекать исключительно при очень высоких температурах. Ведь чтобы два ядра атомов слились, они должны приблизиться на очень близкое расстояние друг к другу, при этом преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов, такое возможно при существовании большой кинетической энергии, которая, в свою очередь, возможна при высоких температурах. Следует заметить, что на Солнце происходят термоядерные реакции водорода, впрочем, не только на нем, но и на других звездах, можно даже сказать, что именно она лежит в самой основе их природы всякой звезды.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи, ядерным реакциям.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Ядерные реакции, альфа-, бета-частицы, гамма-излучение. Тестирование онлайн, подготовка к ЦТ, курсы по физике в Минске

Тестирование онлайн

Ядерные реакции. Основные понятия
Ядерные реакции

Изотопы

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами. Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент – радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица – положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица – отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие – гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где – альфа-излучение – ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где – бета-излучение – электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона:

Открытие нейтрона:

Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций

Данная тема будет посвящена решению задач на применение законов сохранения для ядерных реакций, а также научимся рассчитывать энергетический выход ядерных реакций.

Задача 1. Напишите ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бериллия α-частицами и сопровождающуюся выбиванием нейтронов. Изотоп какого элемента образуется при такой реакции?

РЕШЕНИЕ

По условию задачи в результате взаимодействия ядра бериллия с a-частицей образуется изотоп некоторого элемента и вылетает нейтрон.

Известно, что в результате ядерных реакций должны выполняться законы сохранения. В частности, должен выполняться закон сохранения заряда, то есть суммарный заряд частиц, вступивших в реакцию, должен быть равен суммарному заряду образовавшихся частиц

Также должен выполняться и закон сохранения массового числа, то есть массовое число вступивших в реакцию частиц равно массовому числу образовавшихся частиц

По таблице Менделеева находим, что неизвестный элемент в реакции — это углерод

Ответ: в результате реакции образуется ядро изотопа углерода.

Задача 2. Определите энергию, освобождающуюся при слиянии двух атомов дейтерия с образованием атома трития.

ДАНО:

РЕШЕНИЕ

Энергия, выделяющаяся при ядерной реакции

Запишем ядерную реакцию

Закон сохранения заряда

Закон сохранения массового числа

Поскольку зарядовое и массовое число равняются 1, то неизвестным элементом в ядерной реакции является водород

Тогда ядерная реакция будет иметь вид

Определим сумму масс частиц до реакции

Сумма масс частиц после реакции

Тогда энергия, выделяющаяся при ядерной реакции равна

Ответ: в результате реакции выделилось 4 МэВ энергии.

Задача 3. Вычислите коэффициент полезного действия двигателей атомной подводной лодки, если их мощность 72 МВт, а реактор расходует 200 г урана в сутки. Считать, что вследствие деления одного ядра атома урана выделяется 200 МэВ энергии.

ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ

Запишем формулу для вычисления коэффициента полезного действия двигателей

Полная мощность

Количество урана-235

Энергия, выделяемая реактором за сутки

Тогда полная мощность

Коэффициент полезного действия двигателя

Ответ: КПД двигателей атомной подводной лодки составляет 38%.

Задача 4. Ядро радия ₈₈²²⁶Ra испытывает a-распад. Определите отношение импульсов и кинетических энергий образовавшихся a-частиц и нового ядра, если до распада ядро радия покоилось.

ДАНО:

РЕШЕНИЕ

Импульс α-частицы

Импульс нового ядра:

Закон сохранения импульса

Кинетическая энергия α-частицы:

Кинетическая энергия нового ядра:

Тогда отношение кинетических энергий равно

Реакция α-распада:

Закон сохранения массового числа:

Отношение кинетических энергий:

Ответ: отношение импульсов равно 1, а отношение кинетических энергий — 55,5.

Задача 5. Найдите энергетический выход реакции, в которой в результате бомбардировки ядра бериллия протоном, образуется изотоп ₃⁶Li и вылетает a-частица, если известно, что кинетическая энергия водорода равна 5,45 МэВ, ядра гелия — 4 МэВ и что ядро гелия вылетело под углом 90º к направлению движения водорода. Ядро-мишень бериллия неподвижно.

ДАНО:

РЕШЕНИЕ

Запишем ядерную реакцию

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность между энергией покоя ядра и частиц до реакции и после нее

Энергия частиц вступивших в реакцию

Энергия частиц после реакции

Кинетическая энергия лития

Закон сохранения импульса в проекциях на оси координат:

Ох:

Оу:

Квадрат скорости лития

Тогда кинетическая энергия лития

Кинетическая энергия водорода

Кинетическая энергия гелия

Тогда кинетическая энергия лития

Энергия частиц после реакции

Тогда энергетический выход реакции

Ответ: реакция экзотермическая, а ее энергетический выход составляет 0,01 МэВ или 1,6 ∙ 10⁻¹⁵ Дж.

Школьник запустил дома реакцию ядерного синтеза

Достижение Джексона Освальда – так зовут юного физика из штата Теннесси – признали официально. Обязательное условия для этого – публикация в научном журнале с обоснованием результатов опытов. А первую успешную реакцию он провел еще в 2018 году, за несколько дней до 13-летия.

Джексон впервые заинтересовался ядерной физикой в 10 лет, когда узнал о Тейлоре Уилсоне – это прежний обладатель рекорда Гиннесса как самый юный автор реакции ядерного синтеза; ему на тот момент было 14 лет. Создать лабораторию Освальду помогли родители, на это ушло 10 тысяч долларов. Необходимое оборудование покупали на интернет-аукционах.

“Этот проект был очень сложным. Я потратил, наверное, около полугода, пытаясь исправить прокладку, чтобы не происходила утечка из камеры реактора. Только после этого мне с помощью турбомолекулярного насоса удалось создать вакуум. Это был один из моментов, когда родители явно сомневались, давать ли мне деньги на продолжение эксперимента”, – рассказал Джексон Освальд.

Топливом для реакции является дейтерий – стабильный изотоп водорода. Ампулы с ним встречаются в свободной продаже. Дейтерий используется в нейтронных генераторах, а также в качестве индикатора в химических и биологических экспериментах.

Для осуществления реакции необходимо очень малое количество дейтерия – в случае с Освальдом 40 микронов, но относительно большое напряжение – несколько десятков тысяч вольт.

“Ядерный синтез — это очень опасный процесс. В основном из-за высокого напряжения, которое используется в реакторе. Нужно носить средства защиты, перчатки и халат. В моем термоблоке температура меняется, но в среднем она составляет 100 миллионов градусов по Цельсию” – сообщил Джексон.

Как работает такая установка? В нее под низким давлением подается дейтерий. Решетка внутри – под высоким напряжением. В результате от атомов водорода отрываются электроны и высвобождаются несущие огромную энергию нейтроны. Они устремляются к катоду, часть проскакивает сквозь сетку и сжимается в плотный сгусток плазмы. На словах все звучит довольно убедительно, однако производительность самодельного реактора даже близко нельзя сопоставить с реальным ядерным объектом.

“Эти условия достигаются не в большом объеме, а в очень-очень маленьком объеме, где происходит термоядерная реакция. Просто в крошечном, ничтожном. Потому что в этот маленький объемчик стреляет вот эта высоковольтная пушка. Это напряжение разгоняет частицы, и они попадают в очень-очень крошечный объем. Поэтому там энерговыделение на несколько десятков, может быть, порядков меньше, чем в действительно эффективных установках для термоядерного синтеза”, – пояснил Дмитрий Побединский, физик, популяризатор науки, автор видеоблога “Физика от Побединского”.

К слову, Джексон Освальд далеко не первый молодой человек, который провел ядерную реакцию на подобной установке. Такой компактный реактор, иначе фузор, впервые сконструировали американские изобретатели Фарнсуорт и Хирш в 1964 году. Сейчас опыты с фузорами довольно распространены, но чаще всего их проводят студенты, и довольно большими группами. Сборка установки и сам эксперимент -процессы трудоемкие.

“Оказалось, что есть сайты, посвященные фузорам, есть целые сообщества, где люди обсуждают, как это сделать, что-то где-то подкрутить, настроить. Так что это такая активно развивающаяся область, и люди очень этим интересуются”, – отметил Дмитрий Побединский.

Собрать такую установку действительно может почти каждый физик-любитель. Но смысла делать это в практических целях, например, для освещения своего дома, нет. Дело в том, что в подобных фузорах велики энергопотери – их использование экономически невыгодно, а значит подобные эксперименты останутся эффектным доказательством пытливости ума и возможностью попасть в Книгу рекордов Гиннесса.

Ядерная реакция

2

Обнаружены ядра гелия на поверхности тяжелых ядер

15 января 2021 г. – Ученые могут выборочно выбивать нуклоны и предварительно сформированные ядерные кластеры из ядер атомов с помощью пучков протонов высокой энергии. В эксперименте существование предварительно сформированных ядер гелия на …

Открытие “легкого кислорода” открывает окно, посвященное ядерной симметрии

Апр.1, 2019 – Исследователи обнаружили и охарактеризовали новую форму кислорода, получившую название «легковесный кислород» – самая легкая из когда-либо существовавших версий известного химического элемента кислорода, всего с тремя …

Одношаговая стратегия переработки отработанного ядерного топлива

4 мая 2020 г. – Типичный ядерный реактор использует только небольшую часть своего топливного стержня для выработки энергии до того, как реакция выработки энергии естественным образом прекратится. Остается целый ряд радиоактивных веществ…

Улучшенное моделирование ядерной структуры при поисках новой физики с помощью франция

5 августа 2020 г. – Благодаря новым исследованиям мы теперь с гораздо большей уверенностью знаем ядерные магнитные моменты франция …

Физики изучают зеркальные ядра для проверки теории точности

8 июня 2020 г. – Прецизионные измерения зеркальных изотопов гелия и водорода открывают новые вопросы в понимании атомной энергетики…

Ядерный терроризм может быть перехвачен нейтронно-гамма-детектором, который определяет источник

19 мая 2021 года – сегодня в Швеции ученые представили технологию сканирования, направленную на обнаружение небольших количеств ядерных материалов, в надежде предотвратить ядерные акты …

Альфа-частицы скрываются на поверхности нейтронно-богатых ядер

21 января 2021 г. – Ученые обнаружили доказательства наличия альфа-частиц на поверхности тяжелых ядер, богатых нейтронами, что позволило по-новому взглянуть на структуру нейтронных звезд, а также на процесс альфа…

Физики пролили свет на наномасштабную динамику спиновой термализации

7 мая 2020 г. – В физике термализация или тенденция подсистем внутри целого к достижению общей температуры, как правило, является нормой. Однако бывают ситуации, когда термализация замедляется или …

Пятый квартет: радостное открытие неона может выявить звездные качества

24 июня 2021 года – с помощью экспериментов по рассеянию частиц исследователи показывают, что возбужденное состояние, которое ранее предсказывалось, существует в неоне-20, реально.Объединившись в пять групп по четыре, протоны и нейтроны в …

Использование строительных материалов для мониторинга высокообогащенного урана

15 июля 2019 г. – В новой статье подробно рассказывается, как небольшие образцы повсеместно распространенных строительных материалов, таких как плитка или кирпич, могут быть использованы для проверки того, хранился ли на объекте когда-либо высокообогащенный уран, который можно использовать для …

границ | Грандиозные задачи ядерной физики: предстоит долгий и увлекательный путь

1.

Введение

Обычная материя состоит из атомов, состоящих из электронного облака, окружающего плотное положительно заряженное ядро. Это ядро известно как ядро. В настоящее время, после многих лет интенсивных исследований, мы знаем, что ядра состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, вместе называемых «нуклонами». Сами нуклоны также не являются бесструктурными частицами, а состоят из кварков, связанных вместе сильной силой, опосредованной глюонами. Кварки и глюоны – это степени свободы, которые следует использовать при исследовании ядер с помощью зондов высоких энергий (т.е., с энергиями выше массы самого нуклона). Однако в обычной материи кварки ограничены, и соответствующие степени свободы – это нуклоны и, в конечном итоге, мезоны. Ядерная физика (ЯФ) – это область исследований нуклонов внутри ядер.

Число протонов внутри ядра в нейтральных атомах соответствует числу электронов, окружающих ядро. Следовательно, количество протонов определяет химические характеристики и физические свойства данного элемента, как классифицировано в Периодической таблице. Однако каждый элемент может иметь разное количество нейтронов внутри своего ядра. Элементы, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. На Земле более 250 изотопов, и более тысячи изотопов были синтезированы в лабораториях, хотя большинство из них нестабильны. Ядерная диаграмма (см. Рис. 1), где эти изотопы классифицируются по количеству протонов и нейтронов, определенно намного сложнее, чем более знакомая Периодическая таблица! Тогда становится ясно, почему NP до сих пор остается увлекательной областью исследований с множеством открытых вопросов, ответы на которые улучшат наши базовые знания о Nature .Некоторые из этих вопросов перечислены в разделе 2, главные задачи NP в ближайшие 20 лет или около того.

Этим интерес к НП не ограничивается. Многие грандиозные задачи в других областях, таких как физика высокоэнергетических частиц и астрономических частиц, астрономия и астрофизика, космология, требуют держать под контролем несколько вопросов ЯР. В некотором смысле NP можно рассматривать как в службе для других областей. Также в этом случае можно выделить некоторые серьезные проблемы, которые перечислены в разделе 3.

Само собой разумеется, что приведенный ниже список не является исчерпывающим, и я прошу прощения за его неполноту. Тем не менее, список должен дать представление об исследованиях НП.

2. Базовые знания природы

Конечная цель NP состоит в том, чтобы раскрыть фундаментальные свойства ядер из их «кирпичиков», нуклонов, и, в конечном итоге, найти связь с областью квантовой хромодинамики (КХД). Другими словами, NP должна иметь возможность начинать с понимания внутренней структуры нуклонов (и адронов в целом) и, следовательно, их взаимного взаимодействия, чтобы описать всю ядерную карту, с нескольких нуклонных систем. , все более и более тяжелым ядрам, в конечном счете, ядерной и нейтронной материи.Это, конечно, очень амбициозная программа, «грандиозный вызов», для которого мы можем выделить некоторые важные элементы. Я перечисляю их схематично.

• Грандиозная задача для NP – получить подробные сведения о структуре адронов, возможно, получить информацию о ключевых аспектах, таких как пространственное распределение кварков в протоне или связь между спином кварка и орбитальным угловым моментом и спин протона. Трехмерное описание нуклона, достижимое с помощью так называемых функций распределения партонов, зависящих от поперечного импульса (TMD), также представляет собой серьезную проблему, как теоретически, так и экспериментально.Что касается структуры протона, необходимо решить несоответствие между результатами рассеяния электронов и мюонным водородом для радиуса протона, так называемую «загадку радиуса протона» (недавний обзор см. В [1]).

• Ядерную силу между нуклонами можно рассматривать как остаточную силу, возникающую из-за составляющих нуклонов, то есть кварков. Связь этой силы с КХД является предметом интенсивных исследований на протяжении многих десятилетий. Благодаря решеточной КХД и появлению киральной эффективной теории поля (последние обзоры см. [2, 3]) мы находимся в процессе построения ядерного взаимодействия на прочной основе КХД.Однако некоторые вопросы остаются нерешенными и определенно представляют собой серьезные проблемы для NP: в то время как нуклон-нуклонное взаимодействие в настоящее время достаточно хорошо контролируется, этого нельзя сказать о трехнуклонной силе, для которой в настоящее время существуют гораздо менее сложные модели. Это отражает некоторые давние расхождения между теорией и экспериментом в области наблюдаемых нескольких тел, как хорошо известную «головоломку A _y» (см. [4] и ссылки в ней). Решение этой загадки – грандиозная задача для NP.Ситуация еще хуже для взаимодействий гиперон-нуклон и гиперон-гиперон, для которых еще предстоит проделать большую работу. В конечном итоге это связано с «гиперонной загадкой» в нейтронных звездах [5], о которой будет сказано ниже.

• Ядра часто участвуют в ядерных реакциях, опосредованных электромагнитным или слабым взаимодействием, а также в процессах рассеяния лептонных ядер. Тогда неизбежно будет дать соответствующее описание взаимодействия ядер с электрослабыми внешними зондами.Большой проблемой для NP является построение ядерных электрослабых токов в рамках той же киральной теории эффективного поля, которая используется для ядерного взаимодействия (недавний обзор ядерных электромагнитных токов и электромагнитной структуры легких ядер см. [6]). В конце концов, очень желательно последовательное рассмотрение механизмов ядерных реакций для более тяжелых и более тяжелых систем, чтобы навести мост между теорией и экспериментом.

• Для оценки вышеупомянутых пунктов, а также тех, которые будут упомянуты ниже, обязательно разработать надежные и точные численные методы для решения квантово-механической проблемы, от немногих до многочастичных областей, и даже до бесконечности.К настоящему времени уже были предприняты большие усилия с использованием очень точных методов, особенно для легких ядер и ядер средней массы. Но даже здесь, где расчет должен быть проще, доступные методы не работают в случае состояний рассеяния. Но состояния рассеяния необходимы при ядерной реакции. Поэтому большой задачей для NP будет разработка высокоточных численных методов как для связанных состояний, так и для состояний рассеяния, чтобы решать все более и более сложные системы.Ясно, что ни один из них не будет работать для всего диапазона масс, но будет критически важно найти совпадения в ядерной диаграмме, которые являются отправной точкой для методов, работающих на этом уровне, и отправной точкой для тех, кто работает с этот уровень на. В этом контексте необходимы сравнительные расчеты.

3. Ядерная физика на службе у других областей

НП – это область исследований, тесно связанная с другими областями. Таким образом, перед ними стоят серьезные задачи, связанные с серьезными проблемами для NP.Мы перечисляем ниже то, что мы считаем наиболее актуальными.

• Физика нейтрино: Нейтрино остаются одними из самых интригующих частиц Стандартной модели. Они не безмассовые, но их масса чрезвычайно мала, они единственные частицы, которые взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, что делает их обнаружение большой проблемой для экспериментаторов. Фактически, мы даже не знаем окончательной природы нейтрино. Естественно, что они являются объектом интенсивных исследований. Многие эксперименты на ускорителях проводятся или планируются к проведению с конечной целью измерения параметров нейтринных осцилляций, таких как иерархия масс нейтрино и фаза нарушения зарядовой четности.В этих экспериментах используются ядерные мишени, такие как ¹⁶ O, ⁵⁶ Fe, ²⁰⁸ Pb или ⁴⁰ Ar, а также простые модели ядра и механизма реакции. Грандиозная задача NP состоит в том, чтобы обеспечить точное определение нейтринно-ядерного сечения в широком диапазоне энергий, чтобы оно стало точными исходными данными для анализа экспериментальных данных.

Обнаружение безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время является одной из основных целей многих лабораторий по всему миру, чтобы определить, являются ли нейтрино частицами Дирака или Майорана.Наблюдение за таким процессом будет свидетельством нарушения лептонного числа и явным свидетельством «новой физики» за пределами Стандартной модели. Скорость распада пропорциональна матричному элементу ядра, в который входят начальная и конечная волновые функции ядер. Точный расчет этого матричного элемента, в том числе для определения того, какие ядерные системы более удобны для экспериментов, является обязательным и действительно представляет собой серьезную проблему для NP.

• Астрофизика, от космологии и теории нуклеосинтеза Большого взрыва (BBN) до звездной и солнечной физики: Есть несколько астрофизических сред, в которых происходят ядерные реакции и которые в конечном итоге ответственны за то, что мы имеем сегодня во Вселенной.Вскоре после Большого взрыва во время BBN образовались первичные легкие ядра. Чтобы предсказать их распространенность, необходимы сечения соответствующих ядерных реакций, а также космологические и стандартные физические данные. Сравнение предсказаний BBN с астрономическими наблюдениями приведет к проверке как космологических, так и фундаментальных физических моделей. Поэтому знание ядерных сечений с минимально возможной неопределенностью имеет первостепенное значение в этой структуре и представляет собой серьезную проблему как для теоретиков, так и для экспериментаторов. В конце концов, любое сохраняющееся несоответствие между предсказанными и наблюдаемыми первичными содержаниями откроет возможность нестандартной физики.

Изучение ядерных реакций, вовлеченных в звездную эволюцию, как в невзрывоопасных, так и во взрывоопасных средах, также имеет фундаментальное значение для понимания того, как звезды «живут» и в конечном итоге «умирают». Грандиозные проблемы, упомянутые в разделе 2, касающиеся структуры ядра и ядерных реакций, находят свое применение и в этой области.

• Физика за пределами стандартной модели: Большая исследовательская деятельность по всему миру посвящена поиску так называемой темной материи.В экспериментах, обычно проводимых под землей, используется детектор, заполненный жидким аргоном или ксеноном. Чтобы понять возможный сигнал от кандидатов в темную материю, необходимо хорошо контролировать «стандартную» физику. Только после того, как это будет сделано, открытие можно будет заявить. Описание ядерной структуры задействованных ядер, а также механизмов ядерных реакций между ядрами детектора и «стандартными» частицами, очевидно, представляет собой серьезную проблему для NP.

NP может также сыграть важную роль в изучении законов, управляющих физикой на самом фундаментальном уровне. Обнаружение нарушения четности в слабом взаимодействии является ярким примером. Продолжаются интенсивные исследования других нарушений симметрии, как экспериментально, так и теоретически, как в случае наблюдаемых, нарушающих обращение времени, таких как электрические дипольные моменты ядер [7]. Измерение таких наблюдаемых для сравнения с точными теоретическими «стандартными» и «нестандартными» предсказаниями представляет собой серьезную проблему для NP.

• Физика нескольких мессенджеров: Ключевыми вопросами для понимания нашей Вселенной являются: какова природа материи в экстремальных условиях? Могут ли наблюдения с использованием нескольких мессенджеров обеспечить доступ к условиям, которые в настоящее время не достигаются в лабораториях? В конце концов, какова физика нейтронных звезд и слияний двойных звезд? Эти вопросы приобрели первостепенное значение после обнаружения первой гравитационной волны, возникшей в результате слияния двух нейтронных звезд, детекторами LIGO и Virgo 17 августа 2017 г. (GW170817), после чего последовали последствия этого слияния, наблюдаемые в электромагнитном поле. спектр.Чтобы понять нейтронные звезды, важно ограничить уравнение состояния (EoS) сильно взаимодействующей материи, богатой нейтронами [8]. Хотя уравнение состояния симметричной ядерной материи было ограничено широким диапазоном плотностей вокруг плотности насыщения, разброс значений при высоких плотностях, явно представляющих интерес для нейтронных звезд, все еще остается большим. Также знания об асимметричной ядерной материи очень ограничены, в основном из-за трудностей с точным определением энергии симметрии.Все эти проблемы представляют собой серьезные проблемы в NP. И наконец, что не менее важно, давняя загадка, которую необходимо решить в ближайшие годы, – это так называемая «гиперон-загадка» [5]. Состав вещества при плотностях сверхнасыщения, достигаемых в ядрах нейтронных звезд, очень неопределен. Ожидается появление других частиц, помимо нуклонов и электронов, среди которых гипероны. Появление дополнительных степеней свободы имеет тенденцию к смягчению УС и снижению максимально возможной массы нейтронной звезды.Это трудно согласовать с измеренной нейтронной звездой с двумя массами Солнца. Однако доступные EoS основаны на малоизвестных гиперзвуковых моделях взаимодействия двух и трех тел, как упоминалось ранее. Решением этой загадки является грандиозный вызов NP.

Авторские взносы

Автор подтверждает, что является единственным соавтором данной работы, и одобрил ее к публикации.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

2. Махлейдт Р. Исторические перспективы и перспективы ядерных взаимодействий. Int J Modern Phys E (2017) 26 : 1730005. DOI: 10.1142 / S0218301317300053