I nostri compiti: Per introdurre i principali tipi di decadimento radioattivo, negli esperimenti virtuali, mostrano catene di trasformazioni radioattive e un metodo per misurare il decadimento costante.

Reazione nucleare - costretto trasformazione del nucleo atomico sotto l'azione di altre particelle (circa spontaneo Cambiamenti nei nuclei atomici emissando particelle elementari - radioattività Leggi in un'altra conferenza).

Se dubiti se hai visto una reazione naturale, dai un'occhiata a una giornata limpida sul cielo. Parleremo delle reazioni al sole più tardi.

Più spesso sul kernel MA Bocche di particelle relativamente leggere ma (ad esempio, neutroni, proton, α -Caster, ecc.), E quando si avvicina alla distanza di circa 10 -15 m a causa delle azioni della forza nucleare, il kernel è formato NEL e particelle più facili b..

Una combinazione di particelle e noccioli di reazione (nella figura MA + ma), chiamato ingresso il canale della reazione nucleare e la reazione risultante - produzione Canali. Se l'energia cinetica della particella del flutter ma È piccolo, quindi si formano due particelle: una particella e un nucleo in realtà.

La dispersione elastica e inelastica è casse speciali di interazione nucleare quando i prodotti di reazione coincidono con l'originale.

Classificazione delle reazioni nucleari

Dal tipo di particelle che causano la reazione

reazioni sotto l'azione delle particelle cariche
reazioni di neutroni
reazioni in azione γ -Kvanta - reazioni fotonucleare

Leggi di conservazione nelle reazioni nucleari

È possibile trovare un'ottima serie di canali di output per qualsiasi reazione. Tuttavia, la maggior parte di loro sarà impossibile. Scegli la reazione in effetti aiuta le leggi della conservazione:

Gli ultimi due sono vere per una forte interazione. Nelle reazioni nucleari, si manifestano un altro numero di leggi, sono significative per le reazioni con particelle elementari, saranno chiamate loro altrove.

L'insieme delle leggi sulla conservazione consente di selezionare possibili canali di reazione di uscita e ottenere informazioni importanti sulle proprietà delle particelle interagenti e dei prodotti di reazione.

Reazioni nucleari dirette

In una reazione diretta, il tempo di particelle ha il tempo di affrontare uno (meno spesso con i nuclei di due - -trees). Queste reazioni procedono molto rapidamente - durante l'intervallo di particelle attraverso il kernel (10 -22 - 10 -21 s). Considera ad esempio (n, p) -ring. L'impulso di neutroni viene trasmesso principalmente a un nucleo, che muove immediatamente dal kernel, senza il tempo di scambiare energia con il resto dei nuclei. Pertanto, i nuclei dovrebbero volare fuori dal nucleo principalmente nella direzione anteriore. L'energia del nucleone fluviale dovrebbe essere vicino all'energia del volo.

L'energia cinetica della particella del flutter deve essere abbastanza grande (immagina il muro piegato dai cubi. Se devi bruscamente colpire uno di loro, può essere scomparso, quasi non influenzato dal resto. Con un'esposizione lenta, il muro cadrà a pezzi .

Con le energie basse può andare alla reazione acuto (D, P). Deuteron polarizza quando si avvicina al kernel, il neutrone viene catturato dal kernel, e il protone continua a muoversi. Per un tale processo, l'interazione dovrebbe verificarsi sul bordo del kernel. In Deuteron, proton e neutroni sono elencati debolmente.

il tempo di flusso è di ~ 10 -21 s;
la distribuzione angolare dei prodotti è distesa nella direzione del movimento della particella del flutter;
contributo particolarmente grande alla sezione trasversale dei processi nucleari a elevate energie.

Fig.2 Schema di reazione esotermica

Schema di energia di reazione nucleare

Descriverò una reazione nucleare sotto forma di un grafico di energia (Fig. 2). La parte sinistra della figura si riferisce alla prima fase - la formazione del nucleo composito, il diritto - il decadimento di questo nucleo. T "A. - parte dell'energia cinetica della particella del flutter, che è andata all'eccitazione del nucleo, ε A. - Energia di rilegatura delle particelle uN. Nel nucleo composto, ε B. - Energia di rilegatura delle particelle b. Nello stesso kernel.

C'è un'apparente contraddizione: il kernel C. - sistema meccanico quantico con livelli di energia discreti e energia di eccitazione, come visto da (1), valore continuo (energia T A. Forse qualsiasi). Per affrontare questo consentirà la prossima sezione.

La sezione trasversale di una reazione nucleare che passa attraverso il nucleo composito

Fig.3 Sfocatura energia del livello di stato eccitato

Poiché ci sono due fasi indipendenti durante la reazione, la sezione trasversale può essere rappresentata come un pezzo di sezione della formazione di un nucleo composito Σ Sost. e probabilità di decadimento iO.- Canale f I.

Il nucleo atomico è un sistema quantico. Poiché ciascuno dei livelli di spettro eccitati ha una vita media finita. τ , livello di larghezza Γ È anche finito (Fig. 3) ed è associato al tempo di vita medio dalla relazione che è una conseguenza del rapporto tra incertezza per energia e tempo Δt · ΔE ≥ ћ:

Considera il caso quando i livelli di energia del kernel composito sono separati (larghezza di livello Γ meno distanze tra di loro ΔE.). Con la coincidenza dell'energia di eccitazione con l'energia di uno dei livelli E 0. Sezione di reazione (A, b) avrà un massimo di risonanza. Nella meccanica quantistica, si dimostra che la sezione della formazione di un kernel composto è descritta dalla formula di Brete-Wigner

(6)

dove λ A. - La lunghezza d'onda di de Brogly della particella caduta, Γ - Larghezza del livello completo, Γ A. - La larghezza del livello relativa alla dispersione elastica (larghezza parziale, parziale).

Ci occuperemo delle larghezze del livello. La probabilità di decadimento del kernel composito f I. inversamente proporzionale alla vita τ I. relativo a questo decadimento. E vita τ I. A sua volta, secondo (5) inversamente proporzionale alla larghezza Γ I., chiamato parziale (parziale). Di conseguenza, probabilità f I. proporzionale alle larghezze Γ I.e possono essere rappresentati

Fig.4 Sezione della formazione di un kernel composto

Somma ΣF I \u003d 1, ma Σγ i \u003d γ. Con larghezze parziali, è più conveniente affrontare le probabilità.

Larghezza del livello completo Γ dipende debolmente dalla velocità della particella del flutter v A., ma Γ A. proporzionale a questa velocità. DE BRULY WAVEL Lunghezza d'onda è inversamente proporzionale alla velocità v A.. Quindi, lontano dalla risonanza a bassa velocità che la sezione trasversale sta crescendo come 1 / V a (Puoi spiegarlo dal fatto che la particella lenta passa più tempo al nucleo e la probabilità di acquisizione aumenta). Per E ~ e 0 La sezione trasversale di sequestro aumenta bruscamente (Fig. 4). In formula (6) E. - Energia cinetica della particella del flutter e E 0. - Energia del livello del kernel composto, energia curva: Livello di energia \u003d ε a + e 0.

Reazioni nucleari sotto l'azione dei neutroni

Le reazioni principali sotto l'azione dei neutroni non elaborate sono mostrate nel diagramma (figura 5). Lì e in futuro denoteremo la lettera UN. Core con un numero massiccio UN..

Considerali in ordine.

Dispersione elastica

I neutroni nelle reazioni nucleari con particelle cariche e quando si divide i nuclei nasce rapidamente ( T n. Circa alcuni mev), ma assorbito, come regola, lento. Il rallentamento avviene a causa di più collisioni elastiche con i nuclei degli atomi.

Esistono due possibilità: deviazione del neutrone del campo principale senza cattura - scattering potenzialee partenza neutronica dal nucleo composito - scattering risonante. Quindi la sezione trasversale è la quantità σ ex \u003d σ pot + σ.

Fig.6 Sezione della dispersione elastica dei neutroni sui nuclei di uranio

Quindi secondo (1), la dispersione si verificherà con il momento zero del polso ( L \u003d 0, s - Scattering). La distribuzione angolare dei neutroni sparsi nel sistema dell'ertia isotropica. Infatti, queste energie "piccole" non sono così piccole: in idrogeno ~ 10 mev, in piombo ~ 0,4 mev. La sezione trasversale della dispersione potenziale in questo caso non dipende dall'energia dei neutroni e uguale

Nella sezione trasversale della dispersione risonante

larghezza Γ N. Direttamente proporzionale alla velocità e alla lunghezza d'onda di De Broglie λ inversamente proporzionale a lei. Pertanto, a seconda dell'energia, abbiamo solo un picco risonante quando E \u003d e 0. Di conseguenza, per la dipendenza della sezione trasversale dei neutroni elastici di dispersione dall'energia, abbiamo un piedistallo con picchi risonanti (figura 6).

Scattering incompleto

Il diffusore principale è nello stato eccitato: n + A \u003d\u003e (A + 1) * \u003d\u003e A * + N. Ovviamente, la reazione ha soglia Carattere: l'energia del neutrone flutter dovrebbe essere sufficiente per tradurre il nucleo bersaglio nello stato eccitato. Studiare gli spettri di neutroni e accompagnamento γ - Radiazione, ricevere informazioni sulla struttura dei livelli di energia del kernel.

Alcune parole su come misurare la sezione trasversale della dispersione inelastica. Con l'energia cinetica dei neutroni, più di 1 mev,

I processi principali saranno sparpature elastiche e anelastiche. σ \u003d σ upr + σ neupro. Sia a distanza L. da fonte S. Rilevatore posto D. (Fig. 7). Circondando la fonte della sfera del raggio R. e spessore del muro d.. Se la dispersione puramente elasticoÈ possibile mostrare, indebolire lungo la linea che collega la fonte e il rilevatore compensato sparpagliando la sfera verso il rilevatore da altre direzioni. Se c'è una diminuzione della testimonianza del rivelatore, allora è dovuta alla dispersione inelastica

Qui N. - Concentrazione di nuclei nel bersaglio. Diverse dimensioni con diversi spessori consentono di trovare una sezione Σ neupr..

Radiazione Cattura

Acquisizione di radiazioni - Cattura neutronica, formazione del nucleo composito nello stato eccitato e nella successiva transizione a quella principale con l'emissione di γ-radiation n + (A, Z) \u003d\u003e (A + 1, Z) * \u200b\u200b\u003d\u003e (A + 1, Z) + γ. L'energia di eccitazione del nucleo composito (2), il che significa che l'energia totale di γ-quanta supera l'energia legante del neutrone nel nucleo, cioè. 7 - 8 mev.

emissione γ-quanta;
nella radioattività (partenza delle β-particelle) il kernel formato (A + 1, Z) (molto spesso il kernel (A + 1, Z) instabile);
nell'indebolimento del flusso di neutroni N \u003d n 0 exp (-σ β nd) (σ β - Sezione trasversale della cattura di radiazioni, d. - Spessore target).

Fig.10 La sezione trasversale della radiazione cattura con i nuclei in India.

Con le basse energie di neutroni, gli effetti di risonanza e una sezione trasversale della presa di radiazione sono molto forti.

Per i neutroni lenti Γ \u003d γ n + γ γ e Γ γ ≈ const ~ 0,1 ev. Pertanto, la dipendenza della sezione trasversale della cattura di radiazioni sull'energia ripete la dipendenza della sezione trasversale della formazione del nucleo composito. Notiamo il valore molto ampio della sezione trasversale della cattura dell'India (figura 10) all'energia di neutroni di 1,46 EV. È 4 ordini di grandezza maggiore della sezione trasversale geometrica del kernel. Indqueri includono composti cadmio per l'uso come materiali assorbenti nei reattori.

Come notato, il kernel (A + 1, Z)La cattura neutronica risultante è molto spesso radioattivamente con una breve emivita. Le radiazioni radioattive e il decadimento radioattivo sono ben noto per ciascun elemento. Dal 1936, il neutrone indotto dalla radioattività viene utilizzato per identificare gli elementi. Il metodo è stato chiamato "Analisi attivata". Ci sono abbastanza campione di circa 50 mg. L'analisi attivativa può rilevare fino a 74 elementi e viene utilizzata per determinare le impurità nei materiali ultrapuri (nella costruzione di reattori ed elettronica), il contenuto degli elementi di traccia in oggetti biologici in studi ambientali e medici, nonché in archeologia e forense. L'analisi dell'attivazione è anche utilizzata con successo durante la ricerca di minerali, per controllare i processi tecnologici e i prodotti di qualità.

La divisione del nucleo è un fenomeno in cui il nucleo pesante è diviso in due frammenti ineguali (molto raramente per tre). Era aperto nel 1939 dai radiocamisti tedeschi con Gan e Stresman, che hanno dimostrato che durante l'irradiazione dei neutroni di uranio è formato un elemento del centro del sistema di bario periodico 56 BA..

Pochi giorni dopo la notizia di questo, il fisico italiano E.Phermi (che si è trasferito negli Stati Uniti) ha messo esperienza nell'osservare i frammenti di divisione. L'uranio salato è stato applicato al lato interno dei piatti della camera di ionizzazione pulsata (fig.11). Se la particella carica viene colpita al volume della camera all'uscita, abbiamo un impulso elettrico, l'ampiezza del quale è proporzionale all'energia delle particelle. Uranio radioattivo, le particelle α offrono numerosi impulsi con una piccola ampiezza. Quando la fotocamera è irradiata con i neutroni, sono stati rilevati un grande impulso di ampiezza causato da frammenti di divisione. Gli shardings hanno una grande carica e energia di ~ 100 mev. Alcuni giorni prima, Otto Frish guardò frammenti nella camera di Wilson.

divisione forzata - Divisione sotto l'azione di una particella di flutter (il più delle volte neutroni)
Di solito l'energia cinetica della particella del flutter T A è piccola e la reazione è attraverso il nucleo composito: a + A \u003d\u003e c * \u003d\u003e B 1 + B 2
divisione spontanea (spontanea). Aperto dai fisici sovietici Flerdov e Petrzhak nel 1940. URANIO 235 U è diviso con un'emivita di circa 2 * 10 17 anni. Su 1 divisione conti per 10 8 α-decade, ed è estremamente difficile rilevare questo fenomeno.

Teoria della divisione elementare

Con l'aiuto di un modello di gocciolamento, scopriamo le principali condizioni della possibilità di divisione.

Divisione energetica

Considera la divisione del nucleo C. su due frammenti C \u003d\u003e B 1 + B 2. L'energia si distinguerà se le energie vincolanti del nucleo e dei frammenti sono associati alla relazione

G OSC \u003d G C - G 1 - G 2 Sulla base del modello DRIP, scopriamo in quali numeri di massa AC. e numeri ordinali Z C. La condizione (7) viene eseguita.

(8)

Sostituire queste espressioni in (7), e prenderemo per un frammento più piccolo Z 1 \u003d (2/5) z c, A 1 \u003d (2/5) A c E per più pesanti Z 2 \u003d (3/5) z c, A 2 \u003d (3/5) A c.

Il primo e il quarto Termini in (8) saranno ridotti, perché Sono lineari UN. e Z..

I primi due termini in (9) - il cambiamento nell'energia della tensione superficiale Δw pov.e gli ultimi due - un cambiamento nell'energia di coulomb Δw kul.. Disuguaglianza (7) ora sembra

G OSK \u003d - ΔW POV - ΔW KUL \u003d 0,25 · ΔW POV - 0.36 · ΔW KUL

Se un Z 2 / a\u003e 17, l'energia è assegnata. Atteggiamento Z 2 / a Chiamata il parametro di divisione.

Condizione Z 2 / a\u003e 17 Eseguito per tutti i nuclei, a partire dall'argento 47 108 AG.. Sotto diventa chiaro perché nei reattori viene utilizzato come combustibile caro uranio, e non materiali più economici.

Meccanismo di sezione

Condizione Z 2 / a\u003e 17 Eseguita per tutti gli elementi della seconda metà del tavolo Mendeleev. Tuttavia, l'esperienza dice che solo i kernel molto pesanti sono divisi. Che cosa c'é? Ricorda α -Spad. Molto spesso è energicamente benefico, e non succede, perché Impedisce la barriera coulomb. Vediamo come è nel caso della divisione. La possibilità di dividere dipende dalla quantità della somma della superficie e dall'energia di coulomb del kernel e dei frammenti sorgente. Vediamo come queste energie cambiano durante la deformazione core - aumentando divisione dei parametri ρ .

Energia della tensione della superficie W pov. Aumenta, quindi quando i frammenti prendono una forma sferica, rimane costante. Coulomb Energy. W cul. solo diminuisce, prima lentamente e poi 1 / ρ.. La somma di loro Z 2 / a\u003e 17 e Z 2 / A si comporta come mostrato nella figura 13. C'è una potenziale altezza della barriera B F.prevenire la divisione. La divisione spontanea può verificarsi a causa di un fenomeno meccanico-meccanico di Seepage (effetto tunnel), ma la probabilità di questo è estremamente piccola, quindi il periodo di emivita, come detto sopra, è molto grande.

Se un Z 2 / a\u003e 49, quindi l'altezza della barriera B f \u003d 0, e la divisione di un tale nucleo avviene all'istante (per l'ordine del tempo nucleare 10 -23 a partire dal).

Per dividere il kernel, devi informarlo l'energia più grande B F.. Questo è possibile quando cattura il neutrone. In questo caso, la formula (2) sarà simile

(11)

Qui ε n. - Energia vincolante del neutrone nel kernel, ottenuto quando lo cattura; T n. - L'energia cinetica del neutrone flutter.

Riassumiamo la considerazione dell'interazione dei neutroni.

Reazioni nucleari sotto l'azione delle particelle cariche

A differenza dei neutroni, quando si considerano le collisioni delle particelle cariche con il nucleo, è necessario tenere conto della presenza di Coulomb

Barriera. L'interazione di neutroni con il kernel è caratterizzata da profondità (30 - 40 mev) da una potenziale sostituzione R j. (Fig.14a). Neutrone, vicino al kernel, sta vivendo una forte attrazione. In caso di interazione di particelle cariche con il kernel, la curva potenziale ha la forma di riso14b. Quando si avvicina al kernel, abbiamo per la prima volta una repulsione di coulomb (forze a lungo raggio), e ad una distanza di ordine R j. Entra in vigore potente attrazione nucleare. Altezza della barriera di Coulomb B Cul Approssimativamente uguale

Ad esempio, per i protoni quando una collisione con un nucleo di ossigeno, l'altezza della barriera sarà di 3,5 mev e con uranio - 15 mev. Per α - L'altezza delle barriere è 2 volte superiore. Se le particelle cinetiche T, c'è la possibilità che la particella cada nel nucleo dovuto all'effetto del tunnel. Ma la trasparenza della barriera è estremamente piccola, molto probabilmente ci sarà la dispersione elastica. Per lo stesso motivo, una particella carica è difficile lasciare il kernel. Ricorda α -Spad.

La dipendenza della sezione trasversale di una reazione nucleare per le particelle cariche ha una soglia. Ma i picchi risonanti sono debolmente pronunciati o non ci sono no, perché Con energie ~ Mev, la densità dei livelli del kernel è grande e si sovrappongono.

In futuro, le grandi speranze sono correlate alle reazioni di sintesi termonucleare di tipo 2 h + 2 h \u003d\u003e 3 he + p o 2 h + 3 h \u003d\u003e 4 he + nche differiscono in un rilascio di energia molto grande. Un ostacolo all'attuazione di tali reazioni è la barriera coulomb. È necessario riscaldare la sostanza a tali temperature all'energia delle particelle kt. ha permesso loro di unirsi alla reazione. Temperatura 1.16 · 10 7 corrisponde a 1 kev. Per ottenere una reazione "plasma" autosufficiente, devono essere eseguite tre condizioni:

il plasma dovrebbe essere riscaldato alle temperature richieste,

la densità plasmatica dovrebbe essere abbastanza alta

la temperatura e la densità devono essere mantenute per un lungo intervallo di tempo.

E ci sono problemi solidi: ritenzione del plasma in trappole magnetiche, creando materiali per un reattore che resisterebbe potente irradiazione di neutroni, ecc. Non è ancora chiaro anche la quantità di produzione di energia elettrica può essere conveniente utilizzando la sintesi del termalido. Vi sono progressi costanti nella ricerca.

Massima perdita di energia (minimo E "N.) sarà al θ = π : E "min \u003d αe (per idrogeno E "min \u003d 0).

A basse energie (vedi (1)) dispersione isotropica, tutti i valori angolari θ Facilmente. Perché tra l'angolo di dispersione θ e neutroni sparsi E "N. La connessione non è ambigua (12), la distribuzione dei neutroni per energia dopo la dispersione di una volta sarà uniforme (figura 15). Può essere rappresentato come una formula

(13)

La media logaritmica perdita di energia. Capacità di rallentamento. Coefficiente lento

Vediamo come un gran numero di collisioni influenzerà le energie dei neutroni. È conveniente usare nessuna scala di energia, ma la scala dei logaritmi ε \u003d lne.: Abbiamo visto (vedi (12)) quello E "/ E non dipende da E.. In media, la percentuale della perdita di energia. Sulla scala di energia, il cambiamento di energia sembra

Quelli. Esattamente lne., ma no E. Cambia su un valore più o meno fisso.

L'energia medio di neutroni dopo una collisione

Perdita di energia media

Perdita di energia logaritmica media

ξ non dipende da E.. Movimento lungo l'asse lne. uniforme. Puoi semplicemente calcolare il numero medio di collisioni n. Per rallentare OT. E nch. Capire E kon.:

(14)

La tabella seguente mostra i valori ξ e n. Per un numero di nuclei quando si rallenta il neutrone dall'energia 1 Mev a Thermal 0,025 EV.

				ξς s, 1 / cm	ξς s / σ a

Guardando la quarta colonna, potrebbe sembrare che l'idrogeno rallenta meglio. Ma è necessario tenere conto della frequenza delle collisioni. Per idrogeno gassoso e liquido ξ \u003d 1.Ma è chiaro che il percorso che passa durante la decelerazione sarà diverso. Nella quinta colonna ci sono perdite logaritmiche ξ moltiplicato per frequenza di collisione - capacità di rallentamento. Ed ecco il miglior retarder - acqua ordinaria. Ma un buon ritardatore deve assorbire i neutroni. Nell'ultima, sesta colonna, la perdita media logaritmica è moltiplicata per il rapporto tra sezioni di dispersione e assorbimento macroscopiche. Confronto dei numeri, è chiaro perché l'uso di acqua pesante o grafite in reattori atomici come ritardatore.

Decelerazione media

Stimiamo il tempo richiesto dal neutrone a rallentare a seguito di collisioni dall'energia iniziale E 0. Capire E K.. Rompiamo l'asse di energie sui piccoli segmenti ΔE.. Numero di collisioni ΔE. vicino E.

Lunghezza maschile gratis λ s. determinato dalla sezione trasversale della dispersione elastica Σ s. e concentrazione di kernel del moderatore N.

, (15)

dove Σ s. - il valore chiamato sezione trasversale macroscopica. Il tempo richiesto per rallentare ΔE., definiamo come un prodotto di un segmento di tempo per superare la lunghezza del libero corso per il numero di collisioni su ΔE.

Rivolgendosi a valori infinitamente bassi e integrando, arriviamo a rallentare t.

Ad esempio, per il berillio quando E 0. \u003d 2 mev, E K. \u003d 0,025 ev, λ s. \u003d 1,15 cm, ξ \u003d 0,21 otteniamo ~ 3.4 · 10 -5 s. Si noti che, in primo luogo, questo valore è molto inferiore alla mezza vita del neutrone libero (~ 600 s), e, in secondo luogo, è determinato dal movimento vicino all'energia finale.

Distribuzione spaziale dei neutroni

Supponiamo che nel mezzo c'è una fonte istropica a punto di neutroni veloci con energia iniziale E 0.. Distanza L ZAM.che è in media neutroni viene rimosso quando si rallenta E K., chiamato lungo rallentamento. Il vero percorso che passa con neutrone è molto più significativo, perché La traiettoria del movimento è una linea spezzata di lunghezza dei segmenti λ s.. Valore L ZAM. Determinato dai parametri del mezzo di decelerazione, energia dei neutroni iniziale e finale:

Per acqua pesante quando si rallenta da 2 mev a termici 0,025 EV L ZAM. ~ 11 cm, per grafite ~ 20 cm.

Come risultato di un rallentamento della quantità con un raggio della lunghezza del rallentamento, nasce i neutroni termici con la distribuzione della massima energia. I neutroni termici iniziano a diffondere (mossa caoticamente), diffondendo attraverso la sostanza in tutte le direzioni dalla fonte. Questo processo è descritto dall'equazione di diffusione con una contabilità obbligatoria dell'assorbimento dei neutroni.

(16)

In questa equazione Φ - il flusso di neutroni (il numero di neutroni che attraversano la piattaforma dell'unità per unità di tempo), Σ s. e Σ A. - sezioni trasversali di dispersione macroscopica (cfr. (15)) e assorbimento, rispettivamente, D. - Coefficiente di diffusione, S. - Fonte di neutroni. In questa equazione, il primo termine descrive il movimento dei neutroni nella sostanza, il secondo assorbimento e la terza nascita.

La caratteristica principale del mezzo che descrive il processo di diffusione è lunghezza della diffusione L diff.

La lunghezza della diffusione caratterizza la rimozione media del neutrone dalla sorgente prima dell'assorbimento. Per acqua pesante L diff. ~ 160 cm, per grafite ~ 50 cm. L'acqua ordinaria assorbe i neutroni e L diff. Un totale di 2,7 cm. Per quanto il neutrone è lungo e il percorso del neutrone durante la diffusione può essere giudicato, se si confronta la lunghezza della diffusione (in grafite 50 cm) con la lunghezza media del percorso di neutroni prima dell'assorbimento λ a \u003d 1 / σ a (nella stessa grafite 3300 cm).

In pratica, spesso si tratta della transizione dei neutroni da un ambiente all'altro. Ad esempio, la zona attiva del reattore è circondata dal riflettore. Coefficiente di riflessione β - La proporzione di neutroni che ritornano al mercoledì avendo fonti dall'ambiente senza fonti. Circa, β ≈ 1 - 4 · D / L Diffdove i parametri si riferiscono all'ambiente senza fonti. Ad esempio, da un riflettore di grafite β \u003d 0,935, I.e. Il 93% dei neutroni tornerà. Graphite è un riflettore eccellente. È solo acqua dura, dove β = 0.98!

Reazione a catena in un mezzo contenente una sostanza fedeling

Abbiamo un mezzo omogeneo contenente la sostanza dividabile. Non ci sono fonti di neutroni estranee, possono apparire solo come risultato della divisione principale. Supponiamo che tutti i processi siano ad un'unica energia (il cosiddetto approssimazione a velocità singola). Domanda: è possibile fare una palla in cui una reazione a catena stazionaria sarebbe supportata in questa sostanza?

Avremo bisogno:

sezione di assorbimento dei neutroni macroscopici Σ Lake.che piega dalla sequenza di cattura senza divisione Σ zazhv. (Cattura della radiazione) e sezioni di divisione Σ business.: Σ Lake. = Σ zazhv. + Σ business.;
il numero medio di neutroni υ rilasciato in una quota di divisione.

Quindi l'equazione del flusso di neutroni Φ Nel caso debitore sembrerà

con condizioni di confine

che denota che ad una certa distanza d. Da una ciotola con una sostanza del raggio R. Il flusso dovrebbe contattarlo a zero.

Se confronti l'equazione per il flusso Φ C (16), si può vedere che il valore della fonte ς deeds φ. - Il numero di neutroni nati in un'unità di volume per unità di tempo.

I casi - i neutroni nascono meno che assorbiti. Ovviamente, la reazione stazionaria è impossibile.

ςς Deed \u003d σ - La fonte compensa l'assorbimento dei neutroni. La soluzione di equazione (17) dà Φ \u003d const. solo per ambiente senza fineAltrimenti, a causa della perdita di neutroni attraverso il limite del mezzo, la reazione cadrà.
ςς casi\u003e σ - Puoi scegliere tali dimensioni di una ciotola della sostanza divisoria in modo che l'eccedenza dei neutroni attraversi i confini della palla (prevenendo un'esplosione nucleare).

Introduciamo la designazione ω 2 \u003d (σ fuso - ςς azioni) / D\u003e 0. L'equazione (17) prenderà una vista

(18)

La sua soluzione generale sembra

(19)

Coefficiente B. in (19) deve essere messo uguale a zero in modo che la decisione non si disperde quando r \u003d 0.. Trovare la soluzione finale è complicata dalla corretta contabilità della condizione del contorno e per la miscela naturale degli isotopi di uranio (235 U - 0,7%, 235 U - 99,3%, Σ Lake. \u003d 0,357 1 / cm, Σ business. \u003d 0,193 1 / cm, υ \u003d 2.46) otteniamo il valore minimo di tutti R ≈ 5.guarda cosa è diverso questo compito dal reale? In realtà, i neutroni nascono rapidamente, e devono essere rallentati per riscaldare le energie. Il primo reattore, costruito da E. Fermi (1942), aveva una dimensione di circa 350 cm.

Reazione a catena. Reattore nucleare

I dispositivi in \u200b\u200bcui l'energia è ottenuta dalla reazione di fissione della catena stazionaria, chiamata atomico Reattori (per esempio, dicono la centrale nucleare, la centrale nucleare), anche se in sostanza nucleare Reattori. La progettazione di reattori atomici è molto complessa, ma l'elemento necessario di qualsiasi reattore è la zona attiva in cui si verifica la reazione di divisione.

La zona attiva contiene una sostanza divisoria, un moderatore, controllante (regolazione) aste, elementi strutturali ed è circondato da un riflettore di neutroni per ridurre le perdite di quest'ultimo. Tutto ciò è la protezione interna contro il flusso di neutroni, γ - Emissione.

cattura il nucleo di uranio con la successiva divisione di questo nucleo;

cattura il nucleo di uranio con la successiva transizione del kernel allo stato di terra con le emissioni γ -Banks (acquisizione di radiazioni);

cattura i kernel di un moderatore o elementi strutturali;

partenza dalla zona attiva;

assorbimento mediante regolazione delle aste.

I neutroni vengono emessi quando si divideno i nuclei, quindi assorbiti o lasciando la zona attiva. Dentare entro k. Il coefficiente di riproduzione è il rapporto tra il numero di neutroni della generazione successiva n i + 1 al numero nel precedente n I.

Se inserisci la durata della generazione τ , quindi l'equazione per il numero di neutroni n. e la sua decisione sarà simile

(21)

Se il coefficiente k. Detenuto da 1, il numero di neutroni diminuisce ( k) o aumenti ( k\u003e 1.) Secondo la legge esponenziale, cioè molto rapidamente.

(Segui l'effetto del coefficiente di riproduzione k. e Generation Life. τ Sulle dinamiche del numero di neutroni su semplice esperienza)

Coefficiente di riproduzione k. può essere rappresentato come un prodotto del coefficiente k ∞. Per un ambiente infinito e probabilità non Lascia una zona attiva χ

Valore χ Dipende dalla composizione della zona attiva, dalla sua dimensione, modulo, materiale riflettore.

Considerando il reattore che opera su neutroni termici, coefficiente k ∞. può essere rappresentato sotto forma di quattro fattori

ε - Coefficiente di riproduzione su neutroni veloci (per sistemi reali di uranio e grafite ε ~ 1.03);

p. - La probabilità di evitare la cattura risonante durante un rallentamento. Richiama che i neutroni nascono rapidamente e quando rallentano le energie di calore, hanno bisogno di superare la regione di risonanze nella sezione di assorbimento (vedi Fig. 10);

f. - la percentuale di neutroni assorbiti dai nuclei di uranio (e non un moderatore o elementi di design). ε · p · f ≈ 0.8;

η - il numero medio di neutroni emessi a un atto di catturare il nucleo di uranio (il nucleo può verificarsi quando si cattura e forse le emissioni γ -Kvanta). η ≈ 1.35. (Confronta con ~ 2,5 per il numero di neutroni per atto di divisione).

Segue i dati indicati k ∞ \u003d 1,08 e χ \u003d 0.93., che corrisponde alle dimensioni del reattore di circa 5 - 10 m.

Massa critica - la massa minima della sostanza divisoria in cui la reazione nucleare autosufficiente può verificarsi in esso. Se la massa della sostanza è inferiore al critico, allora troppi neutroni necessari per la reazione di fissione è persa, e la reazione a catena non va. Quando la massa è più critica, la reazione a catena può essere ampiamente accelerata, che porterà a un'esplosione nucleare.

La massa critica dipende dalle dimensioni e dalla forma del campione che divide, poiché determinano la perdita di neutroni dal campione attraverso la sua superficie. La massa minima critica ha un campione di una forma sferica, poiché l'area della sua superficie è la più piccola. I riflettori dei neutroni e i ritardatori che circondano la sostanza divisa possono ridurre significativamente la massa critica. La massa critica dipende dalla composizione chimica del campione.

Il "nonno" dei reattori nucleari domestici è il primo reattore fisico F-1, che ha ricevuto lo stato di un monumento di scienza e tecnologia. È stato lanciato nel 1946 sotto la leadership di I.V. Kurchatov. Come un retardo usato grafite purificata sotto forma di barre con fori per aste di uranio. La gestione è stata effettuata da aste contenenti cadmio, assorbendo forte neutroni termici. Nella zona attiva della caldaia c'erano 400 tonnellate di grafite e 50 tonnellate di uranio. La potenza del reattore era di circa 100 W, non c'era un sistema speciale del dissipatore di calore. Quando si lavora, il calore è stato accumulato in una grande massa di grafite. Quindi la muratura di grafite è stata raffreddata da un getto d'aria dal ventilatore. Questo reattore funziona regolarmente e finora.

La quota di energia nucleare nella produzione globale dell'elettricità è stata del 10-20% in diversi anni. La percentuale più grande (~ 74) di elettricità è fatta presso la NPP in Francia. In Russia, ~ 15%.

Cosa fa il processo di partenza fisico del reattore atomico simile a un modello di computer.

Se si desidera controllare come viene appreso il materiale di conferenza,

Definizione 1.

Reazione nucleare In senso lato, chiamano un processo che si verifica come risultato dell'interazione di numerosi nuclei atomici complessi o particelle elementari. Anche le reazioni nucleari sono chiamate tali reazioni in cui almeno un kernel è presente tra le particelle di partenza, si bacino con un altro kernel o una particella elementare, risultando in una reazione nucleare e vengono create nuove particelle.

Di norma, si verificano reazioni nucleari sotto le azioni delle forze nucleari. Tuttavia, la reazione nucleare del decadimento del nucleo sotto l'azione di $ \\ gamma $ - quant'alta energie o elettroni veloci si verifica sotto l'azione di forze elettromagnetiche, non nucleari, per il motivo che le forze nucleari su fotoni e elettroni non agiscono. Le reazioni nucleari includono processi che si verificano in una collisione di neutrino con altre particelle, ma procedono con interazione debole.

Le reazioni nucleari possono essere tenute in condizioni naturali (in profondità di stelle, nei raggi dello spazio). Lo studio delle reazioni nucleari avviene nei laboratori su installazioni sperimentali in cui viene trasmessa l'energia delle particelle cariche utilizzando acceleratori. In questo caso, le particelle più pesanti sono a riposo e li chiamano particelle di destinazione. Accolgono particelle più piccole, che fanno parte del raggio accelerato. Negli acceleratori sui controcomponzioni in divisione su obiettivi e bundle non c'è alcun punto.

L'energia di una particella di fascio positivamente carica deve essere ordine o più barriera del nucleo potenziale di Coulomb. A $ 1932, all'anno da J. Cockroft ed E. Walton per la prima volta ha effettuato la divisione artificiale di nuclei di litio bombardando da protoni la cui energia era l'altezza più piccola della barriera di Coulomb. La penetrazione del protone nel nucleo al litio è avvenuta dalla transizione del tunnel attraverso la barriera potenziale di Coulomb. Per particelle a carico negativa e neutre della barriera potenziale di Coulomb, non ci sono reazioni nucleari possono verificarsi anche con le energie termiche di particelle che volano.

La registrazione più comune e visiva delle reazioni nucleari è presa dalla chimica. Registrare la quantità di particelle alla reazione e sul diritto dei prodotti di reazione finale:

descrive una reazione nucleare, che si verifica come risultato del bombardamento di un isotopio di litio $ () ^ 7_3 (Li) $ protoni, con conseguente neutrone e un isotopi di berilllium $ () ^ 7_4 (be) $.

Le reazioni nucleari vengono spesso registrate in una forma simbolica: $ a \\ sinistra (A, BCD \\ Dots \\ Destra) B $, dove $ A $ è un nucleo di destinazione, $ A $ - Bombarding particle, $ BCD \\ Dots e \\ B $ BCD - - rispettivamente, particelle e kernel che si formano come risultato della reazione. La reazione sopra può essere riscritta nel modulo $ () ^ 7_3 (LI) (P, N) () ^ 7_4 (essere) $. A volte è usato per registrare $ (p, n) $, il che significa bussare al neutrone da alcuni nucleo sotto l'azione del protone.

Descrizione quantitativa delle reazioni

È possibile una descrizione quantitativa delle reazioni nucleari dal punto di vista della meccanica quantistica è possibile solo in modo statistico, cioè. Possiamo parlare di qualche probabilità di vari processi che caratterizzano la reazione nucleare. Pertanto, la reazione di $ A + A \\ a B + B $, nello stato iniziale e finale di cui ci sono due particelle, in questa comprensione è pienamente caratterizzata da una sezione trasversale efficace differenziale della dispersione $ D \\ Sigma / D \\ Omega $ Inside a $ D cout corporeo omega (\\ rm \u003d) (\\ Sin \\ theta \\ Sin \\ theta \\) \\ theta d \\ varieth $, dove $ \\ theta $ e $ \\ Varfi $ - Angoli polari e azimuthal di partenza uno con particelle, E l'angolo $ \\ theta $ viene calcolato dall'inizio del movimento delle particelle bombardanti. La dipendenza della sezione differenziale degli angoli di $ \\ theta $ e $ \\ Varphi $ è chiamata le distribuzioni angolari di particelle che formano la reazione. La sezione trasversale completa o integrale, che è caratterizzata dall'intensità della reazione, è chiamata sezione trasversale efficace differenziale, integrata su tutti i valori degli angoli di $ \\ theta $ e $ \\ Varfi $:

Una sezione efficace può essere interpretata come una piattaforma, che rientra in cui la particella di lavaggio causerà questa reazione nucleare. La sezione trasversale efficace della reazione nucleare viene misurata in granaio $ 1 \\ B \u003d (10) ^ (- 28) \\ m ^ 2 $.

Le reazioni nucleari sono caratterizzate dall'output di reazione. L'uscita della reazione nucleare $ W è chiamata la proporzione delle particelle del fascio che hanno ottenuto l'interazione nucleare con le particelle di destinazione. Se $ S $ è l'area della sezione trasversale del raggio., $ I $ è la densità del flusso del fascio, quindi $ n \u003d le particelle sono $ cadono nella stessa area del bersaglio. Da loro, in un secondo, il $ \\ triangolo n \u003d è \\ sigma n $ particelle reagire in media, dove $ \\ sigma $ è una sezione trasversale efficace della reazione di particelle del fascio, $ N $ è la concentrazione dei nuclei del bersaglio. Poi:

Varie classificazioni di reazioni nucleari

Le reazioni nucleari possono essere classificate come segue:

per la natura delle particelle che partecipano alla reazione;
dietro il numero di massa di nuclei coinvolti nella reazione;
per l'effetto energetico (termico);
dietro il personaggio delle trasformazioni nucleari.

Sopra il valore dell'energia di $ e $ particelle, che causano reazioni, distinguere tali reazioni:

a basse energie ($ e \\ le 1 \\ cev $);
a basse energie ($ 1 \\ kevel \\ le e \\ le 1 \\ mev $);
con energie medie ($ 1 \\ mev \\ le e \\ le 100 \\ mev $);
con energie significative ($ 100 \\ mev \\ le e \\ le 1 \\ gev) $;
ad alta energie ($ 1 \\ gev \\ le e \\ le 500 \\ gev $);
sotto Ultrahigh Energies ($ E\u003e 500 \\ Gev $).

A seconda dell'energia di una particella di $ A $ per gli stessi nuclei di $ A $, si verificano diverse trasformazioni nelle reazioni nucleari. Ad esempio, considera la reazione del bombardamento dell'isotopo del fluoro con neutroni di energie diverse:

Immagine 1.

A seconda della natura delle particelle che intraprendono la partecipazione alle reazioni nucleari, sono suddivise nei seguenti tipi:

sotto l'azione dei neutroni;
sotto l'azione dei fotoni;
sotto l'azione delle particelle cariche.

Sopra il numero di massa di nuclei, le reazioni nucleari sono suddivise nei seguenti tipi:

su Nuclei leggeri ($ a
su nuclei medi ($ 50
su massicci kernel ($ a\u003e $ 100).

Dietro il carattere delle trasformazioni, che si verificano nel kernel, le reazioni sono divise in:

acquisizione di radiazioni;
eccitazione di coulomb;
divisione dei nuclei;
reazione di esplosione;
photoeff nucleare.

Quando si considerano reazioni nucleari, vengono utilizzate le seguenti leggi:

legge della conservazione dell'energia;
la legge di preservare l'impulso;
la legge di conservazione di una carica elettrica;
la legge di preservare una carica barion;
la legge della conservazione della carica di Lepton.

Nota 1.

Le leggi sulla conservazione consentono di prevedere, che con reazioni mentalmente possibili possono essere implementate e che non sono in relazione al mancato rispetto di una o più leggi sulla conservazione. In questo rapporto, le leggi della conservazione svolgono un ruolo particolarmente importante per le reazioni nucleari.

La reazione nucleare è caratterizzata dall'energia di una reazione nucleare di $ q $. Se la reazione procede con l'emissione di energia $ Q\u003e 0 $, la reazione è chiamata esotermica; Se la reazione passa con assorbimento del calore $ Q

Professore

I.n.bekman.

FISICA NUCLEARE

Conferenza 16. Interazioni nucleari

Lo sviluppo della fisica nucleare è in gran parte determinato dalla ricerca nel campo delle reazioni nucleari. In questa conferenza, considereremo la classificazione moderna delle interazioni nucleari, la loro

termodinamica e cinetica, oltre a fornire esempi separati di reazioni nucleari.

1. Classificazione delle reazioni nucleari

A causa dell'azione delle forze nucleari, due particelle (due kernel o nucleo e nucleone) quando si avvicina fino alla distanza della distanza10 -13 cm rientrano in interazione nucleare intensiva, portando alla conversione del kernel. Questo processo è chiamato una reazione nucleare. Durante la reazione nucleare, si verifica la ridistribuzione dell'energia e il polso di entrambe le particelle, che porta alla formazione di diverse altre particelle in partenza dal sito di interazione.Nella collisione delle particelle fluttuanti con il nucleo atomico tra di loro, si verifica lo scambio di energia e impulso, a causa della quale si possono formare diverse particelle in volo in varie direzioni dall'area di interazione.

Reazioni nucleari - Trasformazioni dei nuclei atomici quando interagiscono con particelle elementari, γ -qvants o con l'altro.

La reazione nucleare è il processo di formazione di nuovi nuclei o particelle nelle collisioni di nuclei o particelle. Per la prima volta, la reazione nucleare è stata osservata da E. Rutherford nel 1919, bombardando le particelle α-particelle di atomi di nucleo di azoto, è stato registrato dall'emergere di particelle ionizzanti secondarie con un chilometraggio del gas maggiore delle particelle α e identificate come protoni. Successivamente, con l'aiuto delle fotocamere Wilson, sono state ottenute le foto di questo processo.

Fico. 1. Processi che si verificano durante le reazioni nucleari

(I canali di ingresso e uscita di reazione sono presentati).

La prima reazione nucleare è stata effettuata da E. Rutherford nel 1919: 4 He + 14 N → 17 O + P o 14 N (α, P) 17 O. La fonte di particelle α era un farmaco α-radioattivo. I preparativi radioattivi all'epoca erano le uniche fonti di particelle cariche. Il primo acceleratore, creato appositamente per studiare reazioni nucleari, è stata costruita da Cockrift e Walton nel 1932. A questo acceleratore era prima

È stato ottenuto un raggio di protoni accelerati e la reazione P + 7 Li → α + α è stata effettuata.

Le reazioni nucleari sono il metodo principale di studio della struttura e delle proprietà dei nuclei atomici. Nelle reazioni nucleari, i meccanismi di interazione di particelle con nuclei atomici sono studiati, meccanismi di interazione tra nuclei atomici. A seguito di reazioni nucleari, in condizioni naturali sono ottenute nuovi isotopi e elementi chimici. Se, dopo la collisione, i kernel e le particelle iniziali sono preservati e quelli nuovi non sono nati, la reazione è la dispersione elastica nel campo delle forze nucleari, è accompagnata solo dalla ridistribuzione dell'energia cinetica e del polso della particella e del bersaglio nucleo e è chiamato potenziale

scattering.

La conseguenza dell'interazione delle particelle di bombardamento (nuclei) con i nuclei bersaglio può essere:

1) Scattering elastico, in cui nessuna composizione né variazione di energia interna e solo la ridistribuzione dell'energia cinetica avviene in conformità con la legge dell'impatto interno.

2) Scattering incompleto, in cui la composizione dei nuclei interagenti non cambia, ma parte dell'energia cinetica del nucleo di bombardamento viene speso per l'eccitazione del kernel bersaglio.

3) In realtà la reazione nucleare, come risultato della quale le proprietà interne e la composizione dei nuclei interagenti stanno cambiando.

	Fico. 2. Reazione nucleare di litio-6 con Deuterium 6 Li (D, α) α
	Nelle reazioni nucleari, forti, elettromagnetiche e deboli
	interazione.
	Sono noti molti diversi tipi di reazioni. Possono essere classificati
	reazioni sotto l'azione dei neutroni, sotto l'azione delle particelle cariche e sotto l'azione

	In generale, l'interazione nucleare può essere scritta nella forma
	a1 + A2 → B1 + B2 + ...
	dove e 1 e 2 sono particelle reagire, e b 1, b 2, ... - particelle,
risultante a causa della reazione (prodotti di reazione).
	Il tipo più comune di reazione è l'interazione di una particella leggera A con un kernel A, in
il risultato di cui la particella del polmone B e il kernel in
	a + A → B + B
	O più breve
	A (A, B) b.

Neutrone (N), Proton (P), α - particelle, deton (D) e γ-kart possono essere presi come A e B.

Esempio 1. Reazione nucleare

4 he + 14 n → 17 o + 1 h

nel la forma abbreviata è scritta come14 n (α, p) 17 o

Esempio 2. Considerare la reazione 59 CO (P, N). Qual è il prodotto di questa reazione? Decisione. 1 1 H + 27 59 CO → 0 1 N + X Y Z con

il lato sinistro abbiamo 27 + 1 proton. Sul lato destro di 0 + X protoni, dove x è il numero nucleare del prodotto. Ovviamente, x \u003d 28 (Ni). Sul lato sinistro di 59 + 1 di nucleoni e con il destro 1 + y di nucleoni, dove y \u003d 59. Quindi, il prodotto di reazione 59 NI.

La reazione può andare diversi percorsi concorrenti:

Diversi possibili percorsi della reazione nucleare nella seconda fase sono chiamati canali di reazione. La fase iniziale della reazione è chiamata il canale di ingresso.

Fico. 3. Canali per l'interazione dei protoni con 7 li.

I due recenti canali di reazione nel regime (6) si riferiscono a casi di dispersione nucleare inelastica (A * + A) ed elastica (A + A). Questi sono casi speciali di interazione nucleare, diversa da altri fatto che i prodotti di reazione coincidono con particelle,

con la reazione, e con la dispersione elastica, non solo il tipo di kernel è mantenuto, ma anche il suo stato interno, e con la dispersione inelastica dello stato interiore dei cambiamenti del kernel (il kernel entra in uno stato eccitato). La possibilità di vari canali di reazione è determinata dalla particella inclusiva, dalla sua energia e dal nucleo.

Quando si studia la reazione nucleare, l'identificazione dei canali di reazione è di interesse per la probabilità comparativa di esso in diversi canali in varie energie di particelle di incidenti, l'energia e la distribuzione angolare delle particelle risultanti, nonché il loro stato interiore (energia di eccitazione , Spin, prontezza, rotazione isotopica).

11.1. Definizione e classificazione delle reazioni nucleari. Ci sono varie interpretazioni del termine reazioni nucleari. In senso lato, una reazione nucleare è chiamata qualsiasi processo che inizia con una collisione di due, raramente diversi, particelle (semplici o complessi) e venendo, di regola, con la partecipazione di forti interazioni. Questa definizione soddisfa e reazioni nucleari Nel senso stretto della Parola, in base alle quali i processi iniziano con una collisione di una particella semplice o complessa (nucleone, α- particella, γ-quantum) con il kernel. Si noti che la definizione della reazione soddisfa come un caso speciale e la dispersione delle particelle. Di seguito sono riportati due esempi di reazioni nucleari.

Storicamente, la prima reazione nucleare (Rutherford, 1919 - l'apertura del protone):

α + 14 n → 17 o + r.

Apertura del neutrone (Chadwick, 1932):

α + 9 VE → 12 s + n.

Lo studio delle reazioni nucleari è necessario per ottenere informazioni sulle proprietà dei nuovi nuclei e particelle elementari eccitate dagli stati dei nuclei, ecc. Non dovremmo dimenticare che nel micrometro a causa della presenza di modelli quantistici su una particella o nucleo non puoi "vedere". Pertanto, il metodo principale di studio dei microject è lo studio delle loro collisioni, cioè reazioni nucleari. Nelle relazioni applicate, le reazioni nucleari sono necessarie per utilizzare l'energia nucleare, nonché per ottenere radionuclidi artificiali.

Le reazioni nucleari possono verificarsi in condizioni naturali (ad esempio, nelle viscere di stelle o nei raggi dello spazio). Ma il loro studio viene solitamente effettuato in condizioni di laboratorio, su installazioni sperimentali. Per eseguire reazioni nucleari, è necessario riunire particelle o noccioli con nuclei alla distanza del raggio di energia nucleare. Un approccio delle particelle cariche con i nuclei è ostacolata dalla barriera di Coulomb. Pertanto, per l'attuazione delle reazioni nucleari sull'uso delle particelle cariche acceleratoriIn cui le particelle che accelerano nel campo elettrico acquisiscono l'energia necessaria per superare la barriera. A volte questa energia è paragonabile a un'energia di riposo delle particelle o addirittura supera: in questo caso, il movimento è descritto dalle leggi della meccanica relativistica. Negli acceleratori convenzionali ( acceleratore lineare, ciclotrone Etc.) La più pesante di due particelle compensate, di regola, riposa e più facile sulla vola vola. Le particelle della gente hanno chiamato bersaglio (inglese - Bersaglio). Volare, o bombardamentoLe particelle in russo non hanno ricevuto un nome speciale (in inglese viene utilizzato dal termine proiettile - proiettile). In acceleratori su travi contro i conti ( colliere.) Entrambi si accedono a particelle, in modo che la separazione del bersaglio e il fascio delle particelle di flutter perde il suo significato.

L'energia delle particelle caricate nella reazione può essere inferiore all'altezza della barriera di Coulomb, poiché era negli esperimenti classici di J. Kokkroft ed E. Walton, che nel 1932 portò fuori la scollatura artificiale di nuclei di litio bombardandosi dal loro protoni accelerati. Nei loro esperimenti, la penetrazione del protone nel nucleo bersaglio si è verificato attraverso la barriera potenziale di Coulomb (cfr. Lecture 7). La probabilità di tale processo, ovviamente, è molto piccola a causa della piccola trasparenza della barriera.

Per la registrazione simbolica delle reazioni nucleari, ci sono diversi modi, due dei quali sono indicati di seguito:

Una combinazione di particelle di collisione in un certo stato quantico (ad esempio, r. e 7 li) chiamato canale di ingresso reazione nucleare. In collisioni delle stesse particelle (canale di ingresso fisso), i vari prodotti di reazione possono apparire nel caso generale. Quindi, in collisioni di protoni con 7 li, reazioni 7 li ( p., 2α), 7 li ( p., n.) 7 BE, 7 LI ( p., d.) 6 BES e altri. In questo caso, parlano dei processi concorrenti o del set canali di uscita.

Spesso le reazioni nucleari sono registrate in una forma ancora più breve: ( uN., b.) - I.e. Indicando solo particelle leggere e senza puntare i kernel coinvolti nella reazione. Ad esempio, registrazione ( p., n.) significa abbattere un neutrone protone da qualsiasi nucleo, ( n., γ ) - Core ad assorbimento dei neutroni con emissione γ -Kvanta, ecc.

Classificazione delle reazioni nucleari Può essere effettuato sui seguenti segni:

I. Per tipo di processo di procedimento

1) Cattura delle radiazioni: ( n., γ ), (p., γ )

2) Effetto foto nucleare: ( γ , n.), (γ , p.)

3) Reazioni del nucleo-nucleo:

a) eliminare il nucleo o il gruppo di nucleoni ( n., P.), (p., α), ecc.

b) "evaporazione" dei nucleoni ( p., 2n.), (p., 2p.) eccetera.

c) interruzione ( d., P.), (d., N.) e pick-up ( p., D.), (n., D.)

4) Divisione: ( n., f.), (p., f.), (γ , f.)

5) Sintesi (unione)

6) Dispersione inelastica: ( n., n ')

7) Dispersione elastica: ( n., N.)

II. Sulla base dell'escrezione o dell'assorbimento di energia

1) reazioni esotermiche

2) reazioni endotermiche

III. Sull'energia di bombardamento particelle

1) piccole energie (< 1 кэВ)

2) Energie medie (1 kev-10mev)

3) alta energia (\u003e 10 mev)

IV. In peso di nuclei bombardati

1) sui nuclei leggeri ( MA < 50)

2) sui nuclei medi (50< MA < 100)

3) sui nuclei pesanti ( MA > 100)

V. Per tipo di particelle di bombardamento

1) sulle particelle cariche ( p., d., α e ioni più pesanti)

2) su neutrone

3) sui fotoni (reazioni fotonucleare)

11.2. Legge della conservazione dell'energia. Per la reazione nucleare della forma generale

UN. + B. → C.+ D + E + ...

scriviamo la legge di conservazione dell'energia attraverso l'energia della pace e delle energie cinetiche:

Valore Q., Definito come la differenza nell'energia di riposo:

chiamato energia di reazione. È ovvio

Se un Q. \u003e 0, quindi è chiamata tale reazione esotermico. In questo caso Q. - Questa è la differenza nelle energie cinetiche di tutti i partecipanti alla reazione prima e dopo l'espansione definita nel sistema di coordinate associate al centro di inerzia (SCI, o c-system.). La reazione esotermica può andare con qualsiasi valore dell'energia cinetica delle particelle di collisione, incluso, e a zero.

Se un Q. < 0, то реакцию называют endothermal.. La reazione della reazione esotermica inversa è sempre endotermica e viceversa. Valore Q.nel c-system.- Questa è l'energia kinetic minima di particelle di collisione in cui la reazione è ancora possibile, o, soglia reazioni.

Quando si passa al sistema di coordinate di laboratorio (Fig. 11.1), LSK o semplicemente l-System.in cui una delle particelle reagire sta riposando - il valore target della soglia di reazione E por. aumenta, perché. Parte dell'energia cinetica va sul movimento del centro di inerzia per la reazione. In effetti, l'energia cinetica del movimento del centro di inerzia può essere arbitrariamente grande, ma se le particelle si riposano relative l'una all'altra, la reazione non andrà.

Per determinare la soglia di reazione in l-System. Usiamo il fatto che la massa e quindi l'energia del riposo è invariante. Il valore è indipendente dalla scelta del sistema di coordinate. Come , per qualsiasi numero di particelle

Se il bersaglio nella reazione in considerazione è una particella NEL, quindi B. L-System.

NEL c-system.

Come menzionato sopra, la soglia in c-system. Corrisponde alla nascita di particelle A PARTIRE DAL, D. eccetera. con zero energie cinetiche, cioè. eccetera. e . Messa invariante B. l-System.

Messa di soglia di risposte di massa in c-system.

Se ora equipara i due invarianti, allora

. (11.3)

Pertanto, la soglia della reazione endotermica è sempre maggiore dell'energia della reazione esotermica inversa Q.. Come si può vedere dall'espressione risultante, la soglia della reazione endotermica è inferiore a quella più grande della massa del bersaglio.

11.3. Il ruolo del momento orbitale.Il momento del polso della particella con slancio r.alimentato da un kernel fisso è uguale pb.dove b. - Parametro Aimale. Secondo le idee classiche, la reazione può verificarsi solo nei casi in cui questo parametro target è inferiore al raggio delle forze nucleari, cioè. b. < R.. Nella meccanica quantistica, il valore del momento orbitale

(- De Brogly Wavength). Poi ci dovrebbe essere disuguaglianza

. (11.4)

Per neutroni con energia T. \u003d 1 mev, I.e. Confronta con le dimensioni del kernel. Per neutroni e protoni con meno energia, è molto più grande. Quindi, per le particelle di piccole e medie energie, la disuguaglianza (11.4) è eseguita, rigorosamente parlando, solo sotto la condizione l. \u003d 0 (meno spesso l. = 1).

Tenendo conto delle proprietà quantistiche del sistema, la reazione è possibile in linea di principio per qualsiasi l.Ma la probabilità della reazione cade bruscamente se il rapporto (11.4) non viene eseguito. La ragione è che i neutroni in questo caso devono superare la barriera centrifuga. Ma, come è stato dimostrato nella considerazione delle emissioni dei nuclei γ-quant (lezione 9), il coefficiente di trasparenza della barriera centrifuga

quelli. diminuisce bruscamente con il crescente l.. Se l'approssimazione a lungo termine cessa di essere eseguita (cioè, le particelle di bombardamento hanno un'energia molto alta), l'interazione è possibile con l.diverso da zero.

11.4. Sezione e rendimento della reazione nucleare.La descrizione quantitativa delle reazioni nucleari dal punto di vista della meccanica quantistica può essere solo statistico. In cui è fondamentalmente, è possibile parlare solo sulla probabilità di un atto della reazione stessa. Le caratteristiche più probabilistiche delle reazioni nucleari sono sezione e produzionela cui definizione è data di seguito. Supponiamo quando cadendo un flusso di particelle MA Su un bersaglio sottile (ma macroscopico) contenente i kernel NEL, è formato in esso dN S. kernels. A PARTIRE DAL (Fig. 11.2). Questo importo è proporzionale al numero di particelle MA, densità delle particelle di destinazione n B. (M -3) e spessore del bersaglio dX. (m):

Sezione Reazioni MA + NEL → A PARTIRE DAL + ··· è determinato mentre il coefficiente di proporzionalità, cioè.

, (11.5)

Dalla definizione (11.5) Ne consegue che la sezione ha la dimensione dell'area (M 2). Nella fisica nucleare, 1 è usato come unità di sezione barne.: 1 B \u003d 10 -28 m 2.

Una sezione chiara può essere vista come un'area di destinazione efficace, che cade in cui la particella provoca la reazione richiesta. Ma a causa delle proprietà dell'onda delle particelle, tale interpretazione ha un'area limitata di applicabilità. Dopotutto, dal punto di vista della meccanica quantistica per una particella, c'è una probabilità diversa da zero di andare senza deviazione attraverso l'area in cui le forze agiscono su di esso. Quindi la sezione trasversale effettiva della reazione sarà inferiore alla sezione trasversale dell'area in cui si verifica l'interazione. In questo caso, per analogia con ottica, viene chiamato il nucleo di destinazione parzialmente trasparente, o grigio.

In veri esperimenti fisici, non è sempre possibile misurare la sezione trasversale di reazione. La grandezza misurata misurata è produzione Reazioni, definite come la proporzione delle particelle del fascio che sono entrate nella reazione con i nuclei bersaglio. Esprimere la resa della reazione attraverso la sua sezione trasversale a condizione che quest'ultimo rimane costante quando le particelle di incidente passano attraverso il bersaglio. Numero di kernels. A PARTIRE DALformato in uno strato sottile di bersaglio come risultato della reazione con le particelle MAbene

dove N. 0 - particella totale MAin uno strato spesso dX., N / A. - Il numero di particelle sotto lo strato senza reazione. Da qui . Quindi, in conformità con (11.5),

Numero di particelle MAchi ha superato lo strato bersaglio dello spessore finale h., trova l'integrazione di questa equazione:

Utilizzando la definizione di uscita di reazione come frazione di particelle che hanno sperimentato la trasformazione, lo troviamo

Bersaglio sottile Corrisponde a piccoli rispetto all'indicatore esponenziale dell'unità. In questo caso, la decomposizione (11.6) in una serie di Taylor dà

11.5. Meccanismi di reazioni nucleari.Oltre alla classificazione indicata al paragrafo 11.1. Le reazioni nucleari differiscono nel tempo e in connessione con questo dal meccanismo del loro flusso. Come scala temporanea, è conveniente usare un tempo nucleare - il tempo dell'arco di particelle attraverso il kernel: τ i. = 2R./v.≈ 10 -22 c (p. 2.2). È ovvio τ veleno - Il tempo minimo richiesto per completare l'atto elementare della risposta rapida stessa.

Useremo la seguente classificazione delle reazioni da parte del meccanismo di flusso. Se il tempo dell'atto elementare t r. ≈ τ veleno, tali reazioni sono chiamate dritto. In caso di reazioni di particelle dirette uN. trasmette energia a uno o più nucleoni del nucleo UN., dopo di che lasciano immediatamente il kernel, non ha avuto il tempo di scambiare energia con il resto:

uN. + UN. → b. + B..

Se un t r. >> τ veleno, quindi la reazione passa attraverso la fase dell'istruzione kernel composto:

uN. + UN. → A PARTIRE DAL* → b. + B..

L'idea del nucleo composito è stata introdotta nella fisica del N. Borok nel 1936. Il nucleo composito A PARTIRE DAL* - Stato del nucleo eccitato A PARTIRE DALe l'energia di eccitazione

(11.7)

dove T A.- Energia particella cinetica ma, W A. - Energia di separazione dal kernel A PARTIRE DAL. L'energia di eccitazione è divisa tra MA+ ma Nucleoni del nucleo composito, e in media, un nucleone deve

. (11.8)

Pertanto, ciascuno dei nucleoni separatamente l'energia è insufficiente per la partenza. Come risultato di una pluralità di collisioni di particelle ma "Confuso" nel kernel e perde la sua individualità. Solo nel tempo t r.>> τ veleno Come risultato della ridistribuzione a caso dell'energia, la sua quantità sufficiente può concentrarsi su uno dei nucleoni (o del gruppo dei nucleoni). In questo caso, il nucleone (gruppo di nucleoni) lascia il nucleo composito - si svolge.

Approssimativamente valuta la vita media del kernel composto A PARTIRE DAL*può essere il seguente Porteremo subito dopo la collisione delle particelle ha effettuato la distribuzione n. Energia di eccitazione Quanta. f. gradi di libertà single-duccanti. Il numero totale di possibili distribuzioni è uguale

. (11.9)

L'output della formula (11.9) può essere illustrato dal seguente schema visivo: - Distribuzione n. croce quantistica f. Le cellule si separano l'una dall'altra f.meno per il temperamento. Il numero totale di permutazioni (cioè il numero totale di stati del sistema) di tutte le croci e tutta la spinta è uguale ( n.+ f -uno)! Tuttavia, le permutazioni di solo croci e solo i pensieri i cui numeri sono uguali n.! e ( f -uno)! Di conseguenza, non conducono a nuovi stati. Di conseguenza, il vero numero di stati risulta essere in n.!(f -uno)! Una volta più piccolo.

Formiamo ulteriormente per la semplicità del ragionamento che la reazione della partenza del nucleo avviene sotto l'azione delle particelle a bassa energia, quindi E * ≈ W A.. Quindi per fluire la reazione per mettere a fuoco tutti N. Quanta per un grado di libertà, il numero di stati in questo caso è semplicemente uguale f.. Atteggiamento w. = f./g. e determinerà la probabilità di partenza del nucleo dal nucleo composito, cioè. reazioni.

L'energia vincolante del nucleone con un kernel è una media di circa 8 mev. La grandezza del Quantum di eccitazione è di circa 0,5 mev. Poi n.\u003d 8 mev / 0.5 mev \u003d 16. Considerando che a causa della reazione, il ramo del nucleo è più probabile solo dal guscio esterno, è possibile mettere f. ≈ n.. Sostituendolo in (11.9), lo troveremo

Per n.\u003d 16 hanno w. \u003d 5 ∙ 10 -8. Le modifiche allo stato del kernel si verificano con una frequenza di 1 / τ velenoquindi costante decadimento del nucleo composito λ s * = w. /τ velenoe tutta la vita media τ s * \u003d1/ λ s * - circa 10 -14 p. Così davvero τ s *>> τ veleno.

Si può notare che il nucleo composito non è fondamentalmente diverso dal kernel radioattivo. Si sforza anche di perdere energia a causa di eventuali condizioni di processo. Uno di questi processi (il gap del nucleo) era già considerato sopra. Per il kernel composito, ci possono essere simultaneamente diversi canali di decadimento. Inoltre, la transizione verso lo stato di terra può verificarsi come risultato dell'emissione di γ-quantum (tale reazione è chiamata radiazione Cattura). Il lampeggio del nucleo di γ-quanta avviene sotto l'azione delle forze elettromagnetiche, cioè. In una scala nucleare, è anche abbastanza lento (dopo 10 -11 -10 -7 s - vedi clausola 9.3). Pertanto, le reazioni della cattura di radiazioni passano anche attraverso il nucleo composito.

La sezione trasversale della reazione che passa attraverso il nucleo composito può essere scritta come

, (11.11)

dove w B. - probabilità di decadimento del nucleo composito via B., e

La dipendenza della sezione trasversale della reazione nucleare dall'energia cinetica delle particelle flutter è chiamata eccitazione della funzione.

Informazioni simili

Le reazioni nucleari sono la conversione dei nuclei atomici quando interagiscono con particelle elementari (incluso con G -qvants) o l'uno con l'altro. Il tipo più comune di reazione nucleare è la reazione scritta simbolicamente come segue:

dove x e y sono i nuclei iniziali e finali, mae b.- Bombardamento ed emesso (o emesso) nella reazione delle particelle nucleari.

Nella fisica nucleare, l'efficienza dell'interazione è caratterizzata da una sezione trasversale efficace. ma.Con ogni tipo di interazione, le particelle con il kernel legano la loro sezione efficace: una sezione trasversale efficace di dispersione determina i processi di dispersione, una sezione trasversale di assorbimento efficace - i processi di assorbimento. Efficace reazione nucleare

dove N.- il numero di particelle che cadono per unità di tempo per unità di area trasversale di una sostanza avente un numero di NDDS, DN- il numero di queste particelle che entrano nella reazione nucleare in uno strato di spessore DX . Sezione trasversale efficace maha la dimensione dell'area e caratterizza la probabilità che quando il raggio cade le particelle sulla sostanza avrà una reazione.

Unità di sezione trasversale efficace dei processi nucleari - barne. (1 bar \u003d 10 -28 m 2).

In qualsiasi reazione nucleare vengono eseguiti leggi di conservazione di cariche elettriche e numeri di massa:la quantità di accuse (e la somma dei numeri di massa) nuclei e particelle che entrano nella reazione nucleare sono uguali alla quantità di accuse (e alla somma dei numeri di massa) di prodotti finiti (nuclei e particelle) della reazione. Eseguito anche leggi di conservazione dell'energia, polso e momento di impulso.

Un ruolo importante nella spiegazione del meccanismo di molte reazioni nucleari è stato svolto dalla fornitura di N. Bora (1936) che le reazioni nucleari procedono in due fasi secondo il seguente schema:

Il primo stadio è il sequestro delle particelle di Core X ma,le azioni inclusiva delle forze nucleari (circa 2 × 10 -15 m) e la formazione di un kernel intermedio con un componente (o nucleo composto). L'energia delle particelle volò nel nucleo viene rapidamente distribuita tra i nucleoni del nucleo composito, come risultato della quale risulta essere nello stato eccitato. Nella collisione dei nuclei del kernel composito, uno dei nucleoni (o la loro combinazione, ad esempio, un deuteron - un nucleo isotopo eroico di idrogeno - deuterio contenente un protone e un neutrone) o una particella può ottenere energia sufficiente per la partenza dal kernel. Di conseguenza, il secondo stadio della reazione nucleare è possibile - il decadimento del kernel composito sul kernel y e una particella B .

Nella fisica nucleare, viene introdotto il caratteristico tempo nucleare - il tempo richiesto per l'intervallo della distanza dell'ordine di grandezza pari al diametro del kernel (D "10 -15 m). Quindi, per una particella con un'energia di 1 mev (che corrisponde alla sua velocità V "10 7 m / s) il tempo caratteristico del personaggio T \u003d 10 -15 m / 10 7 m / s \u003d 10 -22 s. D'altra parte, è dimostrato che il tempo della vita del nucleo composito è 10 - 16 -10 - 12 s, cioè. È (10 6 -10 10) t. Lo stesso significa che durante la residenza del nucleo composito ci possono essere molte collisioni dei nucleoni tra loro, cioè, la ridistribuzione dell'energia tra i nuclei è davvero possibile. Di conseguenza, il nucleo composito vive così a lungo che completamente "dimentica", come è stato formato. Pertanto, la natura del decadimento del nucleo composto (l'emissione delle particelle B) è la seconda fase della reazione nucleare - non dipende dal metodo di formazione del nucleo composito - il primo stadio.

Le reazioni nucleari sono classificate in base alle seguenti caratteristiche:

1) entro parti che partecipano a loro- reazioni sotto l'azione dei neutroni; reazioni sotto l'azione delle particelle cariche (ad esempio protoni, deuteroni, particelle); reazioni sotto l'azione di G -qvants;

2) secondo l'energia delle loro particelle -reazioni a basse energie (l'ordine di elettrone-volt) che si verificano principalmente con la partecipazione dei neutroni; reazioni alle energie medie (fino a diversi megaelectron-volt), che si verificano con la partecipazione di G -qvants e particelle cariche (protoni, particelle); Reazioni ad alte energie (centinaia e migliaia di megaelectron-volt), portando alla nascita delle particelle elementari mancanti nello stato libero e sono di grande importanza per studiarli;

3) dalla natura dei nuclei che partecipano a loro- reazioni ai nuclei leggeri (e<50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) secondo la natura delle trasformazioni nucleari- reazioni con emissioni di neutroni; reazioni con emissione di particelle cariche; La reazione di cattura (in queste reazioni, il kernel composito non emette particelle e entra nello stato di terra, emettendo uno o più g -qvants).

La prima reazione nucleare nella storia è stata effettuata da E. Rutherford (1919) con i bombardamenti azotati A-parti emesse da una fonte radioattiva.