Sarcinile noastre: să se familiarizeze cu principalele tipuri de dezintegrare radioactivă, în experimente virtuale să arate lanțurile de transformări radioactive și o metodă de măsurare a constantei de dezintegrare.

Reacție nucleară - forţat transformarea unui nucleu atomic sub acțiunea altor particule (aproximativ spontan schimbarea nucleelor atomice prin emiterea de particule elementare - radioactivitate citit într-o altă prelegere).

Dacă aveți îndoieli dacă ați văzut vreodată o reacție nucleară, priviți cerul într-o zi senină. Despre reacțiile la Soare vom vorbi mai târziu.

Cel mai adesea pe miez A o particulă relativ ușoară intră în aer A(de exemplu, neutroni, protoni, α -particulă etc.), iar la apropierea de la o distanță de aproximativ 10 -15 m, ca urmare a acțiunii forțelor nucleare, se formează un nucleu Vși o particulă mai ușoară b.

Setul de particule și nuclee care intră într-o reacție (în figură A + A) sunt numite intrare canalul unei reacții nucleare și reacția rezultată - sfârșit de săptămână canale. Dacă energia cinetică a particulei incidente A este mic, atunci se formează două particule: particula însăși și nucleul.

Imprăștirea elastică și inelastică sunt cazuri speciale de interacțiune nucleară, când produsele de reacție coincid cu cele inițiale.

Clasificarea reacțiilor nucleare

După tipul de particule care provoacă reacția

reacții cu particule încărcate
reacții cu neutroni
reactii sub influenta γ - cuante - reacţii fotonucleare

Legile de conservare în reacțiile nucleare

Vă puteți gândi la o mare varietate de canale de ieșire pentru orice reacție. Cu toate acestea, majoritatea se vor dovedi a fi imposibile. Legile conservării ajută la alegerea reacțiilor care sunt fezabile în practică:

Ultimele două sunt valabile pentru interacțiuni puternice. În reacțiile nucleare se manifestă o serie întreagă de legi, ele sunt esențiale pentru reacțiile cu particule elementare, le vom numi altundeva.

Setul de legi de conservare face posibilă selectarea posibilelor canale de reacție de ieșire și obținerea de informații importante despre proprietățile particulelor care interacționează și ale produselor de reacție.

Reacții nucleare directe

Într-o reacție directă, particula are timp să se ciocnească cu unul (mai rar cu doi - trei) nucleoni. Aceste reacții au loc foarte repede - în timpul zborului unei particule prin nucleu (10 -22 - 10 -21 s). Luați în considerare, de exemplu, reacțiile (n, p). Momentul neutronului este transferat în principal unui nucleon, care părăsește imediat nucleul, fără a avea timp să facă schimb de energie cu restul nucleonilor. Prin urmare, nucleonii ar trebui să fie ejectați din nucleu în principal în direcția înainte. Energia nucleonului ejectat ar trebui să fie aproape de energia proiectilului.

Energia cinetică a particulei incidente trebuie să fie suficient de mare (imaginați-vă un perete format din cuburi. Dacă loviți brusc unul dintre ele, îl puteți doborî, aproape fără a afecta restul. Cu un impact lent, peretele se va destrăma. )

La energii scăzute, poate apărea o reacție dărâma(d, p). Deutronul este polarizat pe măsură ce se apropie de nucleu, neutronul este captat de nucleu, iar protonul continuă să se miște. Pentru un astfel de proces, interacțiunea trebuie să aibă loc la marginea nucleului. Într-un deuteron, un proton și un neutron sunt slab legați.

timp de curgere ~ 10 -21 s;
distribuția unghiulară a produselor este alungită în direcția de mișcare a particulei incidente;
o contribuție deosebit de mare la secțiunea transversală a proceselor nucleare la energii mari.

Fig. 2 Schema reacției exoterme

Schema energetică a unei reacții nucleare

Să descriem o reacție nucleară sub forma unei diagrame energetice (Fig. 2). Partea stângă a figurii se referă la prima etapă - formarea unui nucleu compus, dreapta - dezintegrarea acestui nucleu. T "a- o parte din energia cinetică a particulei incidente care a intrat în excitația nucleului, ε a- energia de legare a particulelor Aîn miezul compus, ε b- energia de legare a particulelor b in acelasi nucleu.

Există o aparentă contradicție: miezul C este un sistem mecanic cuantic cu niveluri de energie discrete, iar energia de excitație, așa cum se vede din (1), este o cantitate continuă (energie T a poate fi oricare). Acest lucru va fi tratat în secțiunea următoare.

Secțiune transversală a unei reacții nucleare care trece printr-un nucleu compus

Fig. 3 Neclaritatea energetică a nivelului stării excitate

Deoarece există două etape independente în cursul reacției, secțiunea transversală poate fi reprezentată ca produsul secțiunii transversale pentru formarea unui nucleu compus starea σși probabilitatea decăderii sale de i-al-lea canal f i

Nucleul atomic este un sistem cuantic. Deoarece fiecare dintre nivelurile excitate ale spectrului are o durată medie de viață finită τ , latime nivel Γ este, de asemenea, finită (Fig. 3) și este legată de durata medie de viață printr-o relație care este o consecință a relației de incertitudine pentru energie și timp Δt ΔE ≥ ћ:

Să luăm în considerare cazul când nivelurile de energie ale nucleului compus sunt separate (lățimile nivelurilor Γ distanta mai mica intre ele ΔE). Când energia de excitație coincide cu energia unuia dintre niveluri E 0 secțiune transversală de reacție (a, b) va avea un maxim de rezonanță. În mecanica cuantică, se dovedește că secțiunea transversală pentru formarea unui nucleu compus este descrisă de formula Breit-Wigner

(6)

Unde λ a este lungimea de undă de Broglie a particulei incidente, Γ - lățimea completă a nivelului, Γ a- lăţimea nivelului în raport cu împrăştierea elastică (lăţime parţială, parţială).

Să ne dăm seama de lățimea nivelului. Probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu compus f i invers proporțional cu durata de viață τ i referitor la această decădere. Și timpul vieții τ i la rândul său, conform (5), este invers proporțional cu lățimea Γ i, numit parțial (parțial). Ca urmare, probabilitățile f i proporțional cu lățimile Γ i, și pot fi reprezentați

Fig. 4 Secțiune transversală a formării unui nucleu compus

Sumă Σf i = 1, A ΣΓ i = Γ... Lățimile parțiale sunt mai convenabil de tratat decât probabilitățile.

Lățime la nivel complet Γ depinde slab de viteza particulei incidente v a, A Γ a proporţional cu această viteză. Lungimea de undă De Broglie este invers proporțională cu viteza v a... Prin urmare, departe de rezonanță la viteze mici, secțiunea transversală crește pe măsură ce 1/v a(Vă puteți explica acest lucru prin faptul că o particulă lentă petrece mai mult timp la nucleu, iar probabilitatea captării acesteia crește). La E ~ E 0 secţiunea de captare creşte brusc (fig. 4). În formula (6) E este energia cinetică a particulei incidente și E 0 este energia nivelului nucleului compus, măsurată din energia de legătură: nivel energetic = ε a + E 0.

Reacții nucleare conduse de neutroni

Principalele reacții sub acțiunea neutronilor nerelativisti sunt prezentate în diagramă (Fig. 5). Acolo și în cele ce urmează vom desemna prin literă A nucleul numărului de masă A.

Să le considerăm în ordine.

Imprăștire elastică

Neutronii din reacțiile nucleare cu particule încărcate și din fisiunea nucleară se nasc rapid ( T n de ordinul mai multor MeV), dar sunt absorbite, de regulă, încet. Decelerația se produce din cauza multiple ciocniri elastice cu nucleele atomice.

Există două posibilități: devierea unui neutron de către câmpul nuclear fără captare - împrăștiere potențială, iar emisia unui neutron dintr-un nucleu compus este împrăștiere rezonantă... Deci secțiunea transversală este suma σ control = σ sudoare + σ res.

Fig. 6 Secțiune transversală a împrăștierii elastice a neutronilor de către nucleele de uraniu

Apoi, conform (1), împrăștierea va avea loc cu moment zero puls ( L = 0, s- împrăștiere). Distribuția unghiulară a neutronilor împrăștiați în centrul de masă este izotropă. De fapt, aceste energii „mici” nu sunt atât de mici: în hidrogen ~ 10 MeV, în plumb ~ 0,4 MeV. Secțiunea transversală potențială de împrăștiere în acest caz nu depinde de energia neutronilor și este egală cu

În secțiunea transversală de împrăștiere a rezonanței

lăţime Γ n este direct proporțională cu viteza și cu lungimea de undă de Broglie λ este invers proporţională cu acesta. Prin urmare, în funcție de energie, avem doar un vârf de rezonanță la E = E 0... Ca urmare, pentru dependența energetică a secțiunii transversale pentru împrăștierea elastică a neutronilor, avem un piedestal cu vârfuri de rezonanță (Fig. 6).

Imprăștire inelastică

Nucleul dispersor este într-o stare excitată: n + A => (A + 1) * => A * + n... Evident că reacția are prag caracter: energia neutronului incident trebuie să fie suficientă pentru a transfera nucleul țintă într-o stare excitată. Studierea spectrelor neutronilor și însoțirea γ - radiații, primesc informații despre structura nivelurilor energetice ale nucleului.

Câteva cuvinte despre cum poți măsurați secțiunea transversală de împrăștiere inelastică... Când energia cinetică a neutronilor este mai mare de aproximativ 1 MeV,

procesele principale vor fi împrăștierea elastică și inelastică σ = σ control + σ necontrolat... Lasati la distanta L de la sursa S detector plasat D(fig. 7). Să înconjurăm sursa cu o sferă de rază Rși grosimea peretelui d... Dacă împrăștierea elastic pur, se poate arăta că atenuarea de-a lungul liniei care leagă sursa și detectorul este compensată de împrăștierea sferei către detector din alte direcții. Dacă se observă o scădere a citirilor detectorului, atunci aceasta se datorează împrăștierii inelastice

Aici N este concentrația nucleelor din țintă. Mai multe măsurători cu grosimi diferite vă permit să găsiți secțiunea transversală σ necontrolat.

Captarea radiațiilor

Captura radiativă - captarea unui neutron, formarea unui nucleu compus în stare excitată și tranziția ulterioară la cel terestre cu emisie de radiație γ n + (A, Z) => (A + 1, Z) * => (A + 1, Z) + γ... Energia de excitație a nucleului compus (2) și, prin urmare, energia totală a cuantei γ, depășește energia de legare a neutronului din nucleu, adică. 7 - 8 MeV.

emisie de γ-quanta;
în radioactivitatea (emisia de particule β) a nucleului format (A + 1, Z)(foarte adesea nucleul (A + 1, Z) instabil);
în slăbirea fluxului de neutroni N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - secțiunea transversală a captării radiațiilor, d- grosimea țintei).

Fig.10 Secțiune transversală a captării radiațiilor de către nucleele de indiu.

La energii scăzute ale neutronilor, efectele de rezonanță și secțiunea transversală de captare radiativă sunt foarte puternice

Pentru neutroni lenți Γ = Γ n + Γ γși Γ γ ≈ const ~ 0,1 eV... Prin urmare, dependența secțiunii transversale pentru captarea radiativă de energie repetă dependența secțiunii transversale pentru formarea unui nucleu compus. Observați valoarea foarte mare a secțiunii transversale de captare pentru indiu (Fig. 10) la o energie neutronică de 1,46 eV. Este cu 4 ordine de mărime mai mare decât secțiunea transversală geometrică a nucleului. Indiul este inclus în compușii cu cadmiu pentru utilizare ca materiale absorbante în reactoare.

După cum sa menționat, nucleul (A + 1, Z) rezultat din captarea neutronilor este foarte adesea radioactiv cu un timp de înjumătățire scurt. Radiația radioactivă și dezintegrarea radioactivă sunt bine cunoscute pentru fiecare element. Din 1936, radioactivitatea indusă de neutroni a fost folosită pentru identificarea elementelor. Metoda a fost numită "analiza activarii"... O probă de aproximativ 50 mg este suficientă. Analiza de activare poate detecta până la 74 de elemente și este utilizată pentru determinarea impurităților din materialele ultrapure (în construcția de reactoare și industria electronică), conținutul de oligoelemente în obiectele biologice în cercetarea de mediu și medicală, precum și în arheologie și știința criminalistică. Analiza de activare este folosită cu succes și în căutarea mineralelor, pentru controlul proceselor tehnologice și a calității produselor.

Fisiunea nucleară este un fenomen în care un nucleu greu este împărțit în două fragmente inegale (foarte rar în trei). A fost descoperit în 1939 de radiochimiștii germani Hahn și Strassmann, care au demonstrat că iradierea uraniului cu neutroni produce un element din mijlocul sistemului periodic bariu. 56 Ba.

La câteva zile după vestea acestui lucru, fizicianul italian E. Fermi (care se mutase în SUA) a pus la cale un experiment pentru a observa fragmente de fisiune. Sarea de uraniu a fost depusă pe partea interioară a plăcilor camerei de ionizare pulsată (Fig. 11). Când o particulă încărcată intră în volumul camerei, la ieșire avem un impuls electric, a cărui amplitudine este proporțională cu energia particulei. Uraniul este radioactiv, particulele α dau numeroase impulsuri de amplitudine mică. Când camera a fost iradiată cu neutroni, au fost detectate impulsuri de amplitudine mare cauzate de fragmente de fisiune. Fragmentele au o sarcină mare și o energie de ~ 100 MeV. Cu câteva zile mai devreme, Otto Frisch observase resturile din camera lui Wilson.

împărțire forțată- fisiune sub acțiunea unei particule incidente (cel mai adesea un neutron)
De obicei, energia cinetică a particulei incidente T a este mică și reacția are loc printr-un nucleu compus: a + A => C * => B 1 + B 2
diviziune spontană (spontană)... Descoperit de fizicienii sovietici Flerov și Petrzhak în 1940. Uraniul 235 U este fisionabil cu un timp de înjumătățire de aproximativ 2 * 10 17 ani. Există 108 dezintegrari α per fisiune și este extrem de dificil de detectat acest fenomen.

Teoria elementară a fisiunii

Să aflăm condițiile de bază ale posibilității de fisiune folosind modelul de picătură.

Energia de fisiune

Luați în considerare fisiunea unui nucleu Cîn două bucăți C => B 1 + B 2... Energia va fi eliberată dacă energiile de legare ale nucleului și ale fragmentelor sunt legate prin raport

G osc = G C - G 1 - G 2 Pe baza modelului de picătură, aflăm la ce numere de masă A Cși numere de serie Z C condiția (7) este îndeplinită.

(8)

Să înlocuim aceste expresii în (7), luând pentru un fragment mai mic Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A C iar pentru cei mai grei Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

Primul și al patrulea termen din (8) se vor anula, deoarece sunt liniare în raport cu Ași Z.

Primii doi termeni din (9) sunt modificarea energiei tensiunii superficiale ΔW pov, iar ultimele două sunt modificarea energiei Coulomb ΔW rece... Inegalitatea (7) arată acum astfel

G osc = - ΔW sp - ΔW rece = 0,25 ΔW sp - 0,36 ΔW rece

Dacă Z2/A> 17 atunci energia este eliberată. Atitudine Z2/A sunt numite parametru de diviziune.

Condiție Z2/A> 17 se efectuează pentru toate miezurile, începând cu argint 47 108 Ag... Mai jos va deveni clar de ce uraniul scump este folosit ca combustibil în reactoare, și nu materiale mai ieftine.

Mecanismul de divizare

Condiție Z2/A> 17 se efectuează pentru toate elementele din a doua jumătate a tabelului periodic. Cu toate acestea, experiența arată că numai nucleele foarte grele sunt împărțite. Ce s-a întâmplat? Să ne amintim α -descompunere. De foarte multe ori este benefic din punct de vedere energetic, dar nu se întâmplă, pentru că previne bariera coulombiană. Să vedem cum stau lucrurile în cazul divizării. Posibilitatea de fisiune depinde de valoarea sumei energiilor de suprafață și Coulomb ale nucleului și fragmentelor inițiale. Să vedem cum se schimbă aceste energii la deformarea nucleului - o creștere a parametru de diviziune ρ .

Energia tensiunii superficiale W pov crește, apoi, atunci când fragmentele iau o formă sferică, rămâne constantă. Energia coulombiană W cool doar scade, încet la început, apoi pe măsură ce 1 / ρ... Suma lor la Z2/A> 17și Z 2 / A se comportă așa cum se arată în Figura 13. Există o barieră potențială cu o înălțime B f prevenirea diviziunii. Fisiunea spontană poate apărea din cauza fenomenului de scurgere mecanică cuantică (efect de tunel), dar probabilitatea acestui lucru este extrem de mică, astfel încât timpul de înjumătățire, așa cum sa menționat mai sus, este foarte mare.

Dacă Z2/A> 49, apoi înălțimea barierei B f = 0, iar fisiunea unui astfel de nucleu are loc instantaneu (într-un timp nuclear de ordinul lui 10 -23 cu).

Pentru fisiunea unui nucleu este necesar să i se acorde o energie mai mare decât B f... Acest lucru este posibil prin captarea unui neutron. În acest caz, formula (2) va arăta ca

(11)

Aici ε n- energia de legare a neutronului din nucleu, obtinuta in timpul captarii acestuia; T n este energia cinetică a neutronului incident.

Să rezumăm luarea în considerare a interacțiunii neutronilor.

Reacții nucleare sub influența particulelor încărcate

Spre deosebire de neutroni, atunci când se iau în considerare coliziunile particulelor încărcate cu un nucleu, este necesar să se țină cont de prezența unui Coulomb.

barieră. Interacțiunea unui neutron cu un nucleu este caracterizată printr-un puț de potențial adânc (30 - 40 MeV) cu o rază R i(Figura 14a). Un neutron care se apropie de nucleu experimentează o atracție puternică. În cazul interacțiunii particulelor încărcate cu un nucleu, curba potențialului are forma din Fig. 14b. Când ne apropiem de nucleu, avem mai întâi repulsia Coulomb (forțe cu rază lungă de acțiune), iar la o distanță de ordinul R i intră în joc o puternică atracție nucleară. Înălțimea barierei Coulomb B cool aproximativ egale

De exemplu, pentru protonii care se ciocnesc cu un nucleu de oxigen, înălțimea barierei va fi de 3,5 MeV, iar cu uraniu, de 15 MeV. Pentru α -particule, inaltimea barierelor este de 2 ori mai mare. Dacă energia cinetică a particulei T, există posibilitatea ca particula să intre în nucleu datorită efectului de tunel. Dar transparența barierei este extrem de scăzută, iar împrăștierea elastică este cel mai probabil să apară. Din același motiv, este dificil pentru o particulă încărcată să părăsească nucleul. Să ne amintim α -descompunere.

Dependența secțiunii transversale pentru o reacție nucleară pentru particulele încărcate are un caracter de prag. Dar vârfurile de rezonanță sunt prost exprimate sau complet absente, deoarece la energii de ~ MeV, densitatea nivelurilor nucleare este mare și acestea se suprapun.

În viitor, mari speranțe sunt asociate cu reacțiile de fuziune termonucleară de acest tip 2 H + 2 H => 3 He + p sau 2 H + 3 H => 4 El + n, care se disting printr-o eliberare foarte mare de energie. Un obstacol pentru astfel de reacții este bariera Coulomb. Este necesar să se încălzească substanța la astfel de temperaturi încât energia particulelor kT lasa-i sa reactioneze. Temperatura 1,16 10 7 corespunde la 1 keV. Pentru a obține o reacție „plasmă” auto-susținută, trebuie îndeplinite trei condiții:

plasma trebuie încălzită la temperaturile necesare,

densitatea plasmei trebuie să fie suficient de mare

temperatura și densitatea trebuie menținute pe o perioadă lungă de timp.

Și apoi există probleme continue: izolarea plasmei în capcane magnetice, crearea de materiale pentru reactor care să reziste la iradierea puternică cu neutroni etc. Încă nu este clar cât de rentabilă poate fi producția de energie electrică prin fuziunea termonucleară. Au existat progrese continue în cercetare.

Pierdere maximă de energie (minim E „n) va fi la θ = π : E "min = αE(pentru hidrogen E "min = 0).

La energii scăzute (vezi (1)), împrăștierea este izotropă, toate valorile unghiurilor θ sunt la fel de probabile. Întrucât între unghiul de împrăștiere θ și energia neutronului împrăștiat E „n relația este neechivocă (12), distribuția neutronilor în energie după o singură împrăștiere va fi uniformă (Fig. 15). Poate fi reprezentat sub forma formulei

(13)

Pierderea medie de energie logaritmică. Capacitate de decelerare. Factorul de decelerare

Să vedem cum afectează energia neutronului număr mare ciocniri. În acest caz, este convenabil să nu folosiți scara de energie, ci scara logaritmică ε = lnE: am văzut (vezi (12)) că E "/ E nu depinde de E, adică în medie, procentul de pierdere de energie este același. La scara energiei, schimbarea energiei arată astfel

Acestea. exact lnE, dar nu E modificări cu o sumă mai mult sau mai puțin fixă.

Energia medie a neutronilor după ciocnire

Pierdere medie de energie

Pierderea medie de energie logaritmică

ξ nu depinde de E... Mișcarea axei lnE uniformă. Puteți doar să calculați numărul mediu de coliziuni n a încetini de la E începe la finală E con:

(14)

Tabelul de mai jos prezintă valorile ξ și n pentru un număr de nuclee cu moderare neutronică de la 1 MeV energie la 0,025 eV termică.

				ξΣ s, 1/cm	ξΣ s / Σ a

Privind la a 4-a coloană, poate părea că hidrogenul încetinește mai bine decât alții. Dar trebuie să ținem cont și de frecvența coliziunilor. Pentru hidrogen gazos și lichid ξ = 1, dar este clar că calea urmată în timpul decelerației va fi diferită. A 5-a coloană arată pierderea logaritmică ξ ori rata de coliziune - capacitatea de întârziere... Și aici cel mai bun moderator este apa obișnuită. Dar un moderator bun ar trebui să absoarbă slab neutronii. În ultima, a 6-a coloană, pierderea logaritmică medie este înmulțită cu raportul dintre secțiunile transversale macroscopice de împrăștiere și absorbție. Comparând cifrele, este clar de ce apa grea sau grafitul este folosit ca moderator în reactoarele nucleare.

Timp mediu de decelerare

Să estimăm timpul necesar pentru ca un neutron să încetinească ca urmare a coliziunilor de la energia inițială E 0 la finală E la... Împărțim axa energiei în segmente mici ΔE... Coliziuni pe segment ΔE aproape E

Lungimea drumului liber λ s determinată de secțiunea transversală pentru împrăștiere elastică σ sşi concentraţia nucleelor moderatoare N

, (15)

Unde Σ s este o cantitate numită sectiune macroscopica... Timpul necesar pentru a decelera ΔE, este definit ca produsul dintre intervalul de timp și trecerea drumului liber cu numărul de ciocniri de către ΔE

Trecând la cantități infinitezimale și integrând, obținem pentru timpul de decelerare t

De exemplu, pentru beriliu la E 0= 2 MeV, E la= 0,025 eV, λ s= 1,15 cm, ξ = 0,21 obținem ~ 3,4 · 10 -5 s. Rețineți că, în primul rând, această valoare este mult mai mică decât timpul de înjumătățire al unui neutron liber (~ 600 s) și, în al doilea rând, este determinată de mișcarea în apropierea unei energii finite.

Distribuția spațială a neutronilor

Fie ca mediu să conțină o sursă izotropă punctiformă de neutroni rapizi cu energia inițială E 0... Distanţă L deputat, prin care, în medie, neutronii sunt îndepărtați în timpul decelerației la E la se numește lungimea decelerarii... Calea reală parcursă de neutron este mult mai mare, deoarece traiectoria mişcării este linie frântă din segmente de lungime λ s... Magnitudinea L deputat este determinată de parametrii mediului de moderare, energiile neutronilor inițiale și finale:

Pentru apă grea cu o decelerație de la 2 MeV la 0,025 eV termic L deputat~ 11 cm, pentru grafit ~ 20 cm.

Ca urmare a decelerației într-un volum cu o rază de ordinul lungimii decelerației, sunt generați neutroni termici cu o distribuție maxwelliană a energiei. Neutronii termici încep să difuzeze (se mișcă haotic), răspândindu-se prin substanță în toate direcțiile de la sursă. Acest proces este descris de ecuația de difuzie ținând cont de absorbția neutronilor

(16)

În această ecuație Φ - flux de neutroni (numărul de neutroni care traversează o unitate de suprafață pe unitatea de timp), Σ sși Σ a sunt secțiunile transversale de împrăștiere macroscopică (vezi (15)) și, respectiv, de absorbție, D- coeficientul de difuzie, S- sursa de neutroni. În această ecuație, primul termen descrie mișcarea neutronilor în materie, al doilea - absorbția și a treia naștere.

Caracteristica principală a mediului care descrie procesul de difuzie este lungimea difuziei L dif

Lungimea difuziei caracterizează îndepărtarea medie a unui neutron din sursă înainte de absorbție. Pentru apa grea L dif~ 160 cm, pentru grafit ~ 50 cm. Apa obișnuită absoarbe puternic neutronii și L dif doar 2,7 cm. Cât de sinuoasă și lungă calea neutronilor în timpul difuziei poate fi apreciată comparând lungimea difuziei (în grafit 50 cm) cu lungimea medie a căii neutronilor înainte de absorbție λ a = 1 / Σ a(în același grafit 3300 cm).

În practică, ele se ocupă adesea de tranziția neutronilor de la un mediu la altul. De exemplu, miezul reactorului este înconjurat de un reflector. Coeficientul de reflexie β - fracția de neutroni care se întorc în mediul sursă din mediul fără sursă. Aproximativ, β ≈ 1 - 4 D / L dif unde parametrii se referă la un mediu fără sursă. De exemplu, de la un reflector de grafit β = 0,935, adică 93% dintre neutroni se vor întoarce. Grafitul este un reflector grozav. Mai bine doar apă grea, unde β = 0.98!

Reacție în lanț într-un mediu care conține o substanță fisionabilă

Avem un mediu omogen care conține materie fisionabilă. Nu există surse străine de neutroni; aceștia pot apărea doar ca rezultat al fisiunii nucleare. Vom presupune că toate procesele au loc la aceeași energie (așa-numita aproximarea cu o singură viteză). Întrebarea este: este posibil să se facă o minge din această substanță, în care s-ar menține o reacție staționară în lanț?

Avem nevoie:

secțiune transversală macroscopică de absorbție a neutronilor Σ absorbit, care este alcătuită din secțiunea de prindere fără împărțire Σ captura(captarea radiațiilor) și secțiuni transversale de fisiune Σ cazuri: Σ absorbit = Σ captura + Σ cazuri;
numărul mediu de neutroni υ eliberat într-un act de diviziune.

Apoi ecuația pentru fluxul de neutroni Φ în cazul staționar va arăta ca

cu condiția de limită

ceea ce înseamnă că la o oarecare distanţă d dintr-o minge fisionabilă cu rază R firul ar trebui să ajungă la zero.

Dacă comparăm ecuația pentru debit Φ cu (16), se poate observa că sursa este cantitatea υΣ div Φ- numărul de neutroni produși pe unitatea de volum pe unitatea de timp.

υΣ div - sunt produși mai puțini neutroni decât absorbiți. Evident, o reacție staționară este imposibilă.

υΣ div = Σ absorb- sursa compensează absorbția neutronilor. Soluția ecuației (17) dă Φ = const doar pentru mediu nesfârșitîn caz contrar, din cauza scurgerii de neutroni prin limita mediului, reacția se va amortiza.
υΣ div> Σ absorb- este posibil să alegeți o astfel de dimensiune a unei bile de materie fisionabilă, astfel încât surplusul de neutroni să scape prin limitele bilei (pentru a preveni o explozie nucleară).

Să introducem notația ω 2 = (Σ absorbție - υΣ div) / D> 0... Ecuația (17) ia forma

(18)

A lui decizie comună se pare ca

(19)

Coeficient Bîn (19) trebuie să punem egal cu zero astfel încât soluția să nu diverge la r = 0... Găsirea soluției finale este complicată luând în considerare corect condiția la limită, iar pentru un amestec natural de izotopi de uraniu (235 U - 0,7%, 235 U - 99,3%, Σ absorbit= 0,357 1 / cm, Σ cazuri= 0,193 1 / cm, υ = 2,46) obținem ca valoare minimă a totalului R ≈ 5 vezi. Cum diferă această sarcină de cea reală? În realitate, neutronii se nasc rapid și trebuie încetiniți la energii termice. Primul reactor, construit de E. Fermi (1942), avea dimensiuni de aproximativ 350 cm.

Reacție în lanț. Reactor nuclear

Se numesc dispozitive în care se obține energie datorită unei reacții staționare de fisiune în lanț atomic reactoare (de exemplu, spun ei centrală nucleară, CNE), deși de fapt este nuclear reactoare. Proiectarea reactoarelor nucleare este foarte complexă, dar un element esențial al oricărui reactor este miezul în care are loc reacția de fisiune.

Miezul conține material fisionabil, un moderator, tije de control (reglare), elemente structurale și este înconjurat de un reflector de neutroni pentru a reduce pierderile acestora din urmă. Toate acestea se află în interiorul protecției împotriva fluxului de neutroni, γ - radiatii.

captarea uraniului de către nucleu cu fisiunea ulterioară a acestui nucleu;

captarea uraniului de către nucleu cu trecerea ulterioară a nucleului la starea fundamentală cu emisia γ - quanta (captarea radiatiilor);

captarea miezurilor moderatoare sau a elementelor structurale;

plecare din nucleu;

absorbtie prin tije de control.

Neutronii sunt emiși în timpul fisiunii nucleare, apoi absorbiți sau părăsesc miezul. Să notăm prin k factor de multiplicare - raportul dintre numărul de neutroni din generația următoare n i + 1 la numărul din precedentul n i

Dacă introducem durata de viață a unei generații τ , apoi ecuația pentru numărul de neutroni n iar soluția lui ar arăta așa

(21)

Dacă coeficientul k este diferit de 1, atunci numărul de neutroni scade ( k) sau crește ( k> 1) exponențial, adică foarte rapid.

(Observați influența factorului de multiplicare kși durata de viață a unei generații τ asupra dinamicii numărului de neutroni prin simpla experienta)

Factorul de reproducere k poate fi reprezentat ca produs al coeficientului k ∞ pentru mediu și probabilitate infinite nu părăsiți zona activă χ

Magnitudinea χ depinde de compoziția miezului, dimensiunea acestuia, forma, materialul reflectorului.

Considerând un reactor care funcționează pe neutroni termici, coeficientul k ∞ poate fi reprezentat ca patru factori

ε - factor de multiplicare pe neutroni rapizi (pentru sisteme reale de uraniu și grafit ε ~ 1.03);

p- probabilitatea de a evita captarea rezonanței în timpul decelerației. Amintiți-vă că neutronii se nasc rapid, iar atunci când încetinesc la energiile termice, ei trebuie să depășească regiunea de rezonanță în secțiunea transversală de absorbție (vezi Fig. 10);

f- fracția de neutroni absorbită de nucleele de uraniu (nu moderatoare sau elemente structurale). ε p f ≈ 0,8;

η este numărul mediu de neutroni emiși la un act de captură de către un nucleu de uraniu (în timpul captării, poate avea loc fisiunea nucleară sau γ -quanti). η ≈ 1,35(comparați cu ~ 2,5 pentru numărul de neutroni per eveniment de fisiune).

Din datele date rezultă k ∞ = 1,08și χ = 0,93, care corespunde dimensiunii reactorului de ordinul 5 - 10 m.

Masa critica- masa minimă de materie fisionabilă la care se poate produce în ea o reacție de fisiune nucleară autosusținută. Dacă masa substanței este sub valoarea critică, atunci se pierd prea mulți neutroni necesari reacției de fisiune și reacția în lanț nu are loc. Cu o masă mai mare decât cea critică, reacția în lanț se poate accelera ca o avalanșă, ceea ce va duce la o explozie nucleară.

Masa critică depinde de mărimea și forma probei fisionabile, deoarece acestea determină scurgerea de neutroni din eșantion prin suprafața acesteia. O probă sferică are masa critică minimă, deoarece suprafața sa este cea mai mică. Reflectorii și moderatorii neutronilor din jurul materialului fisionabil pot reduce semnificativ masa critică. De asemenea depinde si masa critica compoziție chimică probă.

„Bunicul” reactoarelor nucleare autohtone este primul reactor fizic F-1, care a primit statutul de monument al științei și tehnologiei. A fost lansată în 1946 sub conducerea lui I.V. Kurchatov. Grafitul purificat sub formă de bare cu găuri pentru tijele de uraniu a fost folosit ca moderator. Controlul a fost efectuat cu tije care conțin cadmiu, care absoarbe puternic neutronii termici. Miezul cazanului conținea 400 de tone de grafit și 50 de tone de uraniu. Puterea reactorului era de aproximativ 100 W; nu exista un sistem special de îndepărtare a căldurii. În timpul funcționării, căldura s-a acumulat într-o masă mare de grafit. Apoi, zidăria de grafit a fost răcită cu un curent de aer de la un ventilator. Acest reactor încă funcționează corect.

Ponderea energiei nucleare în producția globală de electricitate a fost de 10-20% în diferiți ani. Cel mai mare procent (~ 74) de electricitate este produs la centralele nucleare din Franța. În Rusia ~ 15%.

Cum arată procesul de pornire fizică a unui reactor atomic este arătat de un model computerizat.

Dacă doriți să verificați cum a fost învățat materialul de curs,

Definiția 1

Reacție nucleară denumit în linii mari un proces care are loc ca rezultat al interacțiunii mai multor nuclee atomice complexe sau particule elementare. Reacțiile nucleare se mai numesc și reacții în care cel puțin un nucleu este prezent printre particulele inițiale, acesta se unește cu un alt nucleu sau particulă elementară, în urma căreia are loc o reacție nucleară și se creează noi particule.

De obicei, reacțiile nucleare apar sub influența forțelor nucleare. Cu toate acestea, reacția nucleară de dezintegrare nucleară sub influența $ \ gamma $ - cuante de înaltă energie sau electroni rapizi are loc sub influența forțelor electromagnetice, nu nucleare, din motivul că forțele nucleare nu acționează asupra fotonilor și electronilor. Reacțiile nucleare includ procese care au loc atunci când neutrinii se ciocnesc cu alte particule, dar acestea au loc cu interacțiuni slabe.

Reacțiile nucleare pot avea loc în condiții naturale (în măruntaiele stelelor, în raze cosmice). Studiul reacțiilor nucleare are loc în laboratoare pe instalații experimentale în care energia este transferată la particulele încărcate cu ajutorul acceleratorilor. În acest caz, particulele mai grele sunt în repaus și sunt numite particule țintă... Particulele mai ușoare, care fac parte din fasciculul accelerat, le lovesc. În acceleratoarele de pe fascicule care se ciocnesc, nu are niciun sens fisiunea în ținte și fascicule.

Energia unei particule încărcate pozitiv din fascicul trebuie să fie de ordinul sau mai mare decât bariera de potențial Coulomb a nucleului. În 1932 $, J. Cockcroft și E. Walton au efectuat pentru prima dată fisiunea artificială a nucleelor de litiu prin bombardare cu protoni, a căror energie era mai mică decât înălțimea barierei Coulomb. Pătrunderea unui proton în nucleul de litiu a avut loc printr-o tranziție de tunel prin bariera de potențial Coulomb. Pentru particulele încărcate negativ și neutre, bariera de potențial Coulomb nu există și reacțiile nucleare pot apărea chiar și la energiile termice ale particulelor care sunt incidente.

Cea mai comună și vizuală înregistrare a reacțiilor nucleare este luată din chimie. În stânga, este înregistrată suma particulelor înainte de reacție, iar în dreapta este suma produselor finali ai reacției:

descrie o reacție nucleară care are loc ca urmare a bombardării izotopului de litiu $ () ^ 7_3 (Li) $ cu protoni, rezultând un izotop de neutron și beriliu $ () ^ 7_4 (Be) $.

Reacțiile nucleare sunt adesea scrise sub formă simbolică: $ A \ stânga (a, bcd \ puncte \ dreapta) B $, unde $ A $ este nucleul țintă, $ a $ este particula care bombardează, $ bcd \ puncte și \ B $ - - respectiv, particulele și nucleul, care se formează în urma reacției. Reacția de mai sus poate fi rescrisă sub forma $ () ^ 7_3 (Li) (p, n) () ^ 7_4 (Be) $. Uneori se folosește notația go $ (p, n) $, ceea ce înseamnă eliminarea unui neutron dintr-un nucleu sub acțiunea unui proton.

Descrierea cantitativă a reacțiilor

O descriere cantitativă a reacțiilor nucleare din punctul de vedere al mecanicii cuantice este posibilă doar printr-o metodă statistică, adică. putem vorbi despre o oarecare probabilitate diferite procese care caracterizează o reacție nucleară. Astfel, reacția $ a + A \ la b + B $, în stările inițiale și finale ale căreia există două particule fiecare, în această înțelegere este pe deplin caracterizată de secțiunea transversală de împrăștiere efectivă diferenţială $ d \ sigma / d \ Omega $ în interiorul tăieturii solide $ d \ Omega (\ rm =) (\ sin \ theta \) \ theta d \ varphi $, unde $ \ theta $ și $ \ varphi $ sunt unghiurile polare și azimutale de ieșire ale unuia dintre particule, în timp ce unghiul $ \ theta $ este calculat de la începutul mișcării particulei care bombardează. Dependența secțiunii transversale diferențiale de unghiurile $ \ theta $ și $ \ varphi $ se numește distribuția unghiulară a particulelor care formează reacția. Secțiunea transversală totală sau integrală, care caracterizează intensitatea reacției, este secțiunea transversală efectivă diferențială integrată peste toate valorile unghiurilor $ \ theta $ și $ \ varphi $:

Secțiunea transversală efectivă poate fi interpretată ca o zonă în care o particulă incidentă va provoca o anumită reacție nucleară. Secțiunea transversală efectivă pentru o reacție nucleară este măsurată în hambare $ 1 \ b = (10) ^ (- 28) \ m ^ 2 $.

Reacțiile nucleare se caracterizează prin randamentul reacției. Randamentul unei reacții nucleare $ W $ este fracția particulelor fasciculului care au primit interacțiune nucleară cu particulele țintă. Dacă $ S $ este aria secțiunii transversale a fasciculului, $ I $ este densitatea fluxului fasciculului, atunci $ N = IS $ particulele cad pe aceeași zonă țintă în fiecare secundă. În medie, $ \ triunghi N = IS \ sigma n $ particulele reacționează de la ele într-o secundă, unde $ \ sigma $ este secțiunea transversală efectivă pentru reacția particulelor fasciculului, $ n $ este concentrația nucleelor la țintă . Atunci:

Diferite clasificări ale reacțiilor nucleare

Reacțiile nucleare pot fi clasificate după următoarele caracteristici:

în spatele naturii particulelor care participă la reacție;
în spatele numărului de masă al nucleelor care participă la reacție;
pentru efectul energetic (termic);
natura transformărilor nucleare.

În spatele valorii energiei $ E $ a particulelor care provoacă reacții se disting următoarele reacții:

la energii joase ($ E \ le 1 \ keV $);
la energii joase ($ 1 \ keV \ le E \ le 1 \ MeV $);
la energii medii ($ 1 \ MeV \ le E \ le 100 \ MeV $);
la energii semnificative ($ 100 \ MeV \ le E \ le 1 \ GeV) $;
la energii mari ($ 1 \ GeV \ le E \ le 500 \ GeV $);
la energii ultraînalte ($ E> 500 \ GeV $).

În funcție de energia particulei $ a $, pentru aceleași nuclee $ A $ apar transformări diferite în reacțiile nucleare. De exemplu, luați în considerare reacția de bombardare a unui izotop de fluor cu neutroni de diferite energii:

Poza 1.

În funcție de natura particulelor care participă la reacțiile nucleare, acestea sunt împărțite în următoarele tipuri:

sub influența neutronilor;
sub influența fotonilor;
sub influența particulelor încărcate.

Pentru numărul de masă al nucleelor, reacțiile nucleare sunt împărțite în următoarele tipuri:

pe nuclee ușoare ($ A
pe nuclee medii (50 USD
pe nuclee masive ($ A> 100 $).

În funcție de natura transformărilor care au loc în miez, reacțiile sunt împărțite în:

captarea radiațiilor;
emoție coulombiană;
fisiunea nucleelor;
reacție de explozie;
efect fotoelectric nuclear.

Când se analizează reacțiile nucleare, se folosesc următoarele legi:

legea conservării energiei;
legea conservării impulsului;
legea conservării sarcinii electrice;
legea conservării încărcăturii barionice;
legea conservării sarcinii leptonilor.

Observație 1

Legile de conservare fac posibilă prezicerea ce reacții mental posibile pot fi realizate și care nu din cauza neîndeplinirii uneia sau mai multor legi de conservare. În această relație, legile de conservare joacă un rol deosebit de important pentru reacțiile nucleare.

O reacție nucleară este caracterizată prin energia de reacție nucleară $ Q $. Dacă reacția continuă cu eliberarea energiei $ Q> 0 $, atunci reacția se numește exotermă; dacă reacția continuă cu absorbția de căldură $ Q

Profesor

I.N.Bekman

FIZICA NUCLEARA

Curs 16. INTERACȚIUNI NUCLARE

Dezvoltarea fizicii nucleare este determinată în mare măsură de cercetările din domeniul reacțiilor nucleare. În această prelegere ne vom uita la clasificare modernă interacțiuni nucleare, lor

termodinamică și cinetică, precum și câteva exemple de reacții nucleare.

1. CLASIFICAREA REACȚIILOR NUCLEARE

Datorită acțiunii forțelor nucleare, două particule (două nuclee sau un nucleu și un nucleon) se apropie la distanțe de ordinul 10 -13 cm intră în interacțiune nucleară intensă, ducând la transformarea nucleului. Acest proces se numește reacție nucleară. În timpul unei reacții nucleare, are loc o redistribuire a energiei și a impulsului ambelor particule, ceea ce duce la formarea mai multor alte particule care scapă din locul interacțiunii. Când o particulă incidentă se ciocnește cu un nucleu atomic, are loc un schimb de energie și impuls între ele, în urma căruia se pot forma mai multe particule, care zboară în direcții diferite din regiunea de interacțiune.

Reacțiile nucleare sunt transformări ale nucleelor atomice atunci când interacționează cu particule elementare, γ-quanta sau între ele.

Reacția nucleară este procesul de formare de noi nuclee sau particule în ciocnirile de nuclee sau particule. Pentru prima dată, E. Rutherford a observat o reacție nucleară în 1919, bombardând nucleele atomilor de azot cu particule α; aceasta a fost înregistrată prin apariția particulelor ionizante secundare cu o gamă în gaz mai mare decât cea a particulelor α. și identificați ca protoni. Ulterior, cu ajutorul camerei Wilson au fost obținute fotografii ale acestui proces.

Orez. 1. Procese care au loc în cursul reacțiilor nucleare

(sunt prezentate canalele de reacție de intrare și de ieșire).

Prima reacție nucleară a fost efectuată de E. Rutherford în 1919: 4 He + 14 N → 17 O + p sau 14 N (α, p) 17 O. Sursa particulelor α a fost un preparat α-radioactiv. Medicamentele α radioactive la acea vreme erau singurele surse de particule încărcate. Primul accelerator special conceput pentru studiul reacțiilor nucleare a fost construit de Cockcroft și Walton în 1932. Acest accelerator a fost primul

s-a obţinut un fascicul de protoni acceleraţi şi s-a realizat reacţia p + 7 Li → α + α.

Reacțiile nucleare sunt metoda principală de studiere a structurii și proprietăților nucleelor atomice. În reacțiile nucleare se studiază mecanismele de interacțiune a particulelor cu nucleele atomice, mecanismele de interacțiune dintre nucleele atomice. Ca urmare a reacţiilor nucleare se obţin noi izotopi care nu se găsesc în condiţii naturale şi elemente chimice... Dacă, după ciocnire, nucleele și particulele originale se păstrează și nu se nasc altele noi, atunci reacția este o împrăștiere elastică în câmpul forțelor nucleare, însoțită doar de o redistribuire a energiei cinetice și a impulsului particulei și țintei. nucleu și se numește potențial

împrăștiere.

Consecința interacțiunii particulelor de bombardare (nuclee) cu nucleele țintă poate fi:

1) Împrăștiere elastică, în care nici compoziția nici energie interna nu se modifică, ci doar o redistribuire a energiei cinetice are loc în conformitate cu legea impactului intern.

2) Imprăștire inelastică, în care compoziția nucleelor care interacționează nu se modifică, dar o parte din energia cinetică a nucleului de bombardare este cheltuită pentru excitarea nucleului țintă.

3) De fapt, o reacție nucleară, în urma căreia proprietățile interne și compoziția nucleelor care interacționează se modifică.

	Orez. 2. Reacția nucleară a litiului-6 cu deuteriu 6 Li (d, α) α
	Reacțiile nucleare arată puternice, electromagnetice și slabe
	interacțiuni.
	Sunt cunoscute multe tipuri diferite de reacții. Ele pot fi clasificate în
	reacții sub acțiunea neutronilor, sub acțiunea particulelor încărcate și sub acțiune

	În general, interacțiunea nucleară poate fi scrisă sub forma
	a1 + a2 → b1 + b2 +…,
	unde a 1 și a 2 sunt particule care intră în reacție și b 1, b 2, ... sunt particule,
rezultate din reacţie (produşi de reacţie).
	Cel mai comun tip de reacție este interacțiunea unei particule luminoase a cu un nucleu A, in
în urma căreia se formează o particulă uşoară b şi un nucleu B
	a + A → b + B
	Sau mai scurt
	A (a, b) B.

A și b pot fi luate ca un neutron (n), un proton (p), o particulă α, un deutron (d) și un cuantic γ.

Exemplul 1. Reacție nucleară

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

v prescurtat ca 14 N (α, p) 17 O

Exemplul 2. Se consideră reacția 59 Co (p, n). Care este produsul acestei reacții? Soluţie. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

în partea stângă avem 27 + 1 proton. În partea dreaptă sunt 0 + X protoni, unde X este numărul atomic al produsului. Evident, X = 28 (Ni). Pe partea stângă sunt 59 + 1 nucleoni, iar pe partea dreaptă 1 + Y nucleoni, unde Y = 59. Astfel, produsul de reacție este 59 Ni.

Reacția poate avea loc în mai multe moduri concurente:

Diferitele căi posibile pentru o reacție nucleară în a doua etapă sunt numite canale de reacție. Etapa inițială a reacției se numește canal de intrare.

Orez. 3. Canale de interacțiune a protonilor cu 7 Li.

Ultimele două canale de reacție din schema (6) se referă la cazurile de împrăștiere nucleară inelastică (A * + a) și elastică (A + a). Acestea sunt cazuri speciale de interacțiune nucleară, care diferă de altele prin faptul că produsele de reacție coincid cu particule,

reacționând, iar în împrăștierea elastică nu se păstrează doar tipul nucleului, ci și starea lui internă, iar în cazul împrăștierii inelastice, starea internă a nucleului se modifică (nucleul trece în stare excitată). Posibilitatea diferitelor canale de reacție este determinată de proiectil, de energia și de nucleul său.

Când se studiază o reacție nucleară, este interesant să se identifice canalele de reacție, probabilitatea comparativă de derulare a acesteia prin diferite canale la diferite energii particulele incidente, energia și distribuția unghiulară a particulelor rezultate, precum și starea lor internă (energie de excitare, spin, paritate, spin izotopic).

11.1. Definirea si clasificarea reactiilor nucleare. Există diverse interpretări ale termenului reactii nucleare... Într-un sens larg, o reacție nucleară este orice proces care începe cu ciocnirea a două, mai rar mai multe particule (simple sau complexe) și continuă, de regulă, cu participarea unor interacțiuni puternice. Această definiţie este satisfăcută şi reactii nucleareîn sensul restrâns al acestui cuvânt, care sunt înțelese ca procese care încep cu ciocnirea unei particule simple sau complexe (nucleon, α- particulă, γ-cuantică) cu un nucleu. Rețineți că definiția reacției satisface ca caz special, și împrăștierea particulelor. Două exemple de reacții nucleare sunt prezentate mai jos.

Din punct de vedere istoric, prima reacție nucleară (Rutherford, 1919 - descoperirea protonului):

α + 14 N → 17 O + R.

Descoperirea neutronului (Chadwick, 1932):

α + 9 Fi → 12 C + n.

Studiul reacțiilor nucleare este necesar pentru a obține informații despre proprietățile nucleelor noi și ale particulelor elementare, stările excitate ale nucleelor etc. Nu trebuie uitat că în microlume, din cauza prezenței legilor cuantice, o particulă sau un nucleu nu pot fi „private”. Prin urmare, principala metodă de studiere a micro-obiectelor este studierea coliziunilor lor, adică a reacțiilor nucleare. În termeni aplicați, reacțiile nucleare sunt necesare pentru utilizarea energiei nucleare, precum și pentru producerea de radionuclizi artificiali.

Reacțiile nucleare pot avea loc în mod natural (de exemplu, în interiorul stelelor sau în razele cosmice). Dar studiul lor se desfășoară de obicei în condiții de laborator, în instalații experimentale. Pentru ca reacțiile nucleare să apară, este necesar să se apropie particulele sau nucleele de nuclee la distanțe de ordinul razei de acțiune a forțelor nucleare. Apropierea particulelor încărcate cu nuclee este împiedicată de bariera coulombiană. Prin urmare, pentru a efectua reacții nucleare pe particulele încărcate, utilizați acceleratoare, în care particulele, accelerând într-un câmp electric, dobândesc energia necesară depășirii barierei. Uneori, această energie este comparabilă cu energia de repaus a unei particule sau chiar o depășește: în acest caz, mișcarea este descrisă de legile mecanicii relativiste. În acceleratoarele convenționale ( accelerator liniar, ciclotron etc.), cea mai grea dintre cele două particule care se ciocnesc, de regulă, se odihnește, iar cea mai ușoară zboară în ea. Particula de repaus se numește ţintă (Engleză- tinta). Swoopers, sau bombardarea, particulele în rusă nu au primit un nume special (în limba engleză se foloseşte termenul proiectil – proiectil). În acceleratoarele cu fascicul de coliziune ( ciocnitori) ambele particule care se ciocnesc se mișcă, astfel încât separarea într-o țintă și un fascicul de particule incidente devine lipsită de sens.

Energia unei particule încărcate în reacție poate fi mai mică decât înălțimea barierei Coulomb, așa cum a fost cazul în experimentele clasice ale lui J. Cockcroft și E. Walton, care în 1932 au fisionat artificial nucleele de litiu bombardându-le cu protoni accelerați. . În experimentele lor, pătrunderea unui proton în nucleul țintă a avut loc prin tunel prin bariera de potențial Coulomb (vezi Lectura 7). Probabilitatea unui astfel de proces, desigur, este foarte mică din cauza transparenței scăzute a barierei.

Există mai multe moduri de a înregistra simbolic reacțiile nucleare, dintre care două sunt prezentate mai jos:

O colecție de particule care se ciocnesc într-o anumită stare cuantică (de exemplu, R iar 7 Li) sunt numite canal de intrare reacție nucleară. În ciocnirile acelorași particule (canal de intrare fix), în cazul general, pot apărea diferiți produși de reacție. Deci, în ciocnirile de protoni cu 7 Li, reacțiile 7 Li ( p, 2α), 7 Li ( p, n) 7 Be, 7 Li ( p, d) 6 Fii etc. În acest caz, se vorbește de procese concurente, sau de ansamblu canale de ieșire.

Reacțiile nucleare sunt adesea scrise într-o formă și mai scurtă: ( A, b) - adică indicând doar particule ușoare și nu indicând nucleele care participă la reacție. De exemplu, înregistrarea ( p, n) înseamnă eliminarea unui neutron dintr-un nucleu de către un proton, ( n, γ ) Este absorbția unui neutron de către un nucleu cu emisia γ -quant etc.

Clasificarea reacțiilor nucleare poate fi efectuată din următoarele motive:

I. După tipul procesului în curs

1) captarea radiațiilor: ( n, γ ), (p, γ )

2) efect fotoelectric nuclear: ( γ , n), (γ , p)

3) reacții nucleon-nucleon:

a) eliminarea unui nucleon sau a unui grup de nucleoni ( n,p), (p, α), etc.

b) „evaporarea” nucleonilor ( p, 2n), (p, 2p) etc.

c) perturbare ( d,p), (d,n) și ridicare ( p,d), (n,d)

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

5) sinteza (fuziunea)

6) împrăștiere inelastică: ( n,n ')

7) împrăștiere elastică: ( n,n)

II. Pe baza eliberării sau absorbției de energie

1) reacții exoterme

2) reacții endoterme

III. Prin energia particulelor care bombardează

1) energii joase (< 1 кэВ)

2) energii medii (1 keV-10MeV)

3) energii mari (> 10 MeV)

IV. Prin masa nucleelor bombardate

1) pe nuclee ușoare ( A < 50)

2) pe nuclee de mase medii (50<A < 100)

3) pe nuclee grele ( A > 100)

V. După tipul de particule de bombardare

1) pe particulele încărcate ( p, d, α și ioni mai grei)

2) pe neutroni

3) pe fotoni (reacții fotonucleare)

11.2. Legea conservării energiei. Pentru reacția nucleară în sine vedere generala

A + B → C+ D + E + ...

notăm legea conservării energiei în ceea ce privește energiile de repaus și energiile cinetice:

Magnitudinea Q, definită ca diferența de energii de repaus:

numit energie de reactie... Este evident că

Dacă Q> 0, atunci o astfel de reacție se numește exotermic... În acest caz Q Este diferența dintre energiile cinetice ale tuturor participanților la reacție înainte și după expansiune, determinată într-un sistem de coordonate asociat cu centrul de inerție (SDI, sau c-sistem). O reacție exotermă poate avea loc la orice valoare a energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, inclusiv zero.

Dacă Q < 0, то реакцию называют endotermic... Reacția inversă a unei reacții exoterme este întotdeauna endotermă și invers. Cantitatea - Q v c-sistem Este energia cinetică minimă a particulelor care se ciocnesc, la care reacția este încă posibilă sau, prag reactii.

Când treceți la un sistem de coordonate de laborator (Fig.11.1), LSC sau pur și simplu l-sistem, în care una dintre particulele care reacţionează este în repaus - ţinta este valoarea pragului de reacţie E timp crește pentru că o parte din energia cinetică este cheltuită pentru mișcarea centrului de inerție care este inutilă pentru reacție. Într-adevăr, energia cinetică de mișcare a centrului de inerție poate fi arbitrar de mare, dar dacă particulele sunt în repaus unele față de altele, reacția nu va continua.

Pentru a determina pragul de reacție în l-sistem vom folosi faptul că masa și, prin urmare, energia de repaus este invariant, adică o cantitate care nu depinde de alegerea sistemului de coordonate. pentru că , apoi pentru orice număr de particule

Dacă în reacția considerată ținta este o particulă V apoi în l-sistem

V c-sistem

După cum sa menționat mai sus, pragul la c-sistem corespunde formării particulelor CU, D etc. cu energii cinetice zero, i.e. etc. și ... Invariant de masă în l-sistem

Invariantul de masă corespunzător pragului în c-sistem

Dacă acum echivalăm cei doi invarianți obținuți la, atunci

. (11.3)

Astfel, pragul reacției endoterme este întotdeauna mai mare decât energia reacției exoterme inverse. Q... După cum se poate observa din expresia obținută, cu cât masa țintă este mai mare, cu atât pragul de reacție endotermă este mai mic.

11.3. Rolul momentului unghiular orbital. Momentul de impuls al unei particule cu impuls R incident pe un nucleu imobil este egal cu pb, Unde b- parametru de ochire. Conform conceptelor clasice, o reacție poate apărea numai în acele cazuri când acest parametru de impact este mai mic decât raza de acțiune a forțelor nucleare, adică. b < R... În mecanica cuantică, valoarea momentului unghiular orbital

(- lungimea de undă de Broglie). Atunci inegalitatea trebuie să se mențină

. (11.4)

Pentru un neutron cu energie T= 1 MeV, adică comparabil cu dimensiunea miezului. Pentru neutroni și protoni cu energii mai mici, este mult mai mare. Astfel, pentru particulele de energii joase și medii, inegalitatea (11.4) este satisfăcută, strict vorbind, numai cu condiția l= 0 (mai rar la l = 1).

Ținând cont de proprietățile cuantice ale sistemului, reacția este, în principiu, posibilă pentru oricare l, dar probabilitatea de reacție scade brusc dacă relația (11.4) nu este satisfăcută. Motivul este că neutronii în acest caz trebuie să depășească bariera centrifugă. Dar, așa cum s-a arătat când se consideră emisia de γ-quanta de către nuclee (Lectura 9), coeficientul de transparență al barierei centrifuge

acestea. scade brusc odata cu cresterea l... Dacă aproximarea lungimii de undă nu mai este îndeplinită (adică particulele care bombardează au energii foarte mari), interacțiunea este posibilă și cu l diferit de zero.

11.4. Secțiunea transversală și randamentul unei reacții nucleare. O descriere cantitativă a reacțiilor nucleare din punctul de vedere al mecanicii cuantice nu poate fi decât statistic, adică astfel, în care, în principiu, se poate vorbi doar de probabilitatea actului reacției în sine. Principalele caracteristici probabilistice ale reacțiilor nucleare sunt secțiuneși ieșire, care sunt definite mai jos. Să presupunem că atunci când fluxul de particule scade A pe o țintă subțire (dar macroscopică) care conține nuclee V, se formează dN C miezuri CU(fig.11.2). Acest număr este proporțional cu numărul de particule A, densitatea numărului de particule țintă n B(m –3) și grosimea țintei dx(m):

Secțiune transversală reactii A + V → CU+ ... este definit apoi ca coeficient de proporționalitate, i.e.

, (11.5)

Din definiția (11.5) rezultă că secțiunea are dimensiunea suprafeței (m2). În fizica nucleară, 1 hambar: 1 b = 10 –28 m 2.

Secțiunea transversală poate fi privită în mod clar ca zona țintă efectivă, în care particula provoacă reacția necesară. Dar din cauza proprietățile undei particule, această interpretare are o zonă limitată de aplicabilitate. Într-adevăr, din punctul de vedere al mecanicii cuantice pentru o particulă, există o probabilitate diferită de zero de a trece fără deviație prin regiunea în care forțele acționează asupra ei. Atunci secțiunea transversală reală a reacției va fi mai mică decât secțiunea transversală a regiunii în care are loc interacțiunea. În acest caz, prin analogie cu optica, se numește nucleul țintă parțial transparent, sau gri.

În experimentele fizice reale, este departe de a fi întotdeauna posibil să se măsoare secțiunea transversală a reacției. Mărimea măsurată direct este ieșire reacție, definită ca fracțiunea particulelor fasciculului care au reacționat cu nucleele țintă. Să exprimăm randamentul reacției prin secțiunea sa transversală, cu condiția ca aceasta din urmă să rămână constantă pe măsură ce particulele incidente trec prin țintă. Numărul de nuclee CU formată într-un strat țintă subțire ca rezultat al reacției cu particulele A, egal

Unde N 0 – numărul total particule A prins într-un strat gros dx, N / A- numărul de particule care au trecut prin strat fără reacție. De aici ... Apoi, în conformitate cu (11.5),

Număr de particule A trecând prin stratul țintă de grosime finită h, găsim prin integrarea acestei ecuații:

Folosind definiția randamentului de reacție ca fracțiune de particule care au suferit transformare, constatăm că

țintă subțire corespunde unui exponent mic în comparație cu unul. În acest caz, expansiunea lui (11.6) într-o serie Taylor dă

11.5. Mecanisme ale reacțiilor nucleare. Pe lângă clasificarea dată în clauza 11.1., reacțiile nucleare diferă în timp și, prin urmare, în mecanismul apariției lor. Ca scară de timp, este convenabil să folosiți timpul nuclear - timpul de zbor al unei particule prin nucleu: τ i = 2R/v≈ 10 –22 s (p. 2.2). Este evident că τ otravă- timpul minim necesar pentru finalizarea actului elementar al celei mai rapide reacții.

Vom folosi următoarea clasificare a reacțiilor în funcție de mecanismul apariției lor. Dacă timpul actului elementar t p ≈ τ otravă, astfel de reacții se numesc Drept... În cazul reacțiilor directe, particula A transferă energie către unul sau mai mulți nucleoni ai nucleului A, după care părăsesc imediat miezul, neavând timp să facă schimb de energie cu restul:

A + A → b + B.

Dacă t p >> τ otravă, apoi reacția trece prin stadiul de formare miez compus:

A + A → CU* → b + B.

Conceptul de nucleu compus a fost introdus în fizică de către N. Bohr în 1936. Nucleu compus CU*- starea excitată a nucleului CU, și energia de excitație

(11.7)

Unde T a- energia cinetică a unei particule A,W a- energia separării sale de nucleu CU... Energia de excitație este împărțită între A+ A nucleoni ai unui nucleu compus și, în medie, există

. (11.8)

Astfel, pentru fiecare dintre nucleoni separat, energia este insuficientă pentru a scăpa. Ca rezultat al multor ciocniri, particula A„Se încurcă” în miez și își pierde individualitatea. Abia după un timp t p>> τ otravă ca urmare a unei redistribuiri aleatorii a energiei, o cantitate suficientă din aceasta se poate concentra pe unul dintre nucleoni (sau un grup de nucleoni). În acest caz, un nucleon (un grup de nucleoni) părăsește nucleul compus - are loc dezintegrarea acestuia.

O estimare aproximativă a duratei medii de viață a unui nucleu compus CU* după cum urmează. Să presupunem că imediat după ciocnirea particulelor, există o distribuție n cuante de energie de excitaţie între f grade de libertate cu un singur nucleon. Numărul total de distribuții posibile este

. (11.9)

Derivarea formulei (11.9) poate fi ilustrată prin următoarea diagramă vizuală: - distribuţie n cuante-cruci de f celule separate unele de altele f minus o liniuță. Numărul total de permutări (adică numărul total de stări ale sistemului) tuturor crucilor și tuturor liniuțelor este ( n+ f - 1)! Cu toate acestea, permutări de numai cruci și numai liniuțe, ale căror numere sunt egale n! și ( f - 1)! în consecinţă, ele nu conduc la noi state. Ca urmare, numărul adevărat de state se dovedește a fi n!(f - 1)! ori mai putin.

Să mai departe, pentru simplitatea raționamentului, că reacția de emisie de nucleon are loc sub acțiunea particulelor cu energie scăzută, astfel încât E * ≈ W a... Apoi, pentru ca reacția să continue, este necesar să se concentreze totul n cuante pe grad de libertate, Numărul de stări în acest caz este pur și simplu egal cu f... Atitudine w = f/gși va determina probabilitatea ca un nucleon să scape dintr-un nucleu compus, i.e. reactii.

Energia de legare a unui nucleon cu un nucleu este în medie de aproximativ 8 MeV. Mărimea cuantumului de excitație este de aproximativ 0,5 MeV. Atunci n= 8 MeV / 0,5 MeV = 16. Ținând cont de faptul că, în urma reacției, separarea unui nucleon numai de învelișul exterior este cea mai probabilă, putem pune f ≈ n... Înlocuind aceasta în (11.9), aflăm că

Pentru n= 16 avem w= 5 ∙ 10 –8. Modificările stării miezului apar cu o frecvență de 1 / τ otravă, prin urmare, constanta de dezintegrare a nucleului compus λ С * = w /τ otravă, și durata medie de viață τ С * = 1/λ С *- aproximativ 10-14 s. Deci cu adevărat τ С *>> τ otravă.

Se poate observa că un nucleu compus nu diferă fundamental de un nucleu radioactiv. De asemenea, caută să piardă energie din cauza oricărui proces posibil în condițiile date. Unul dintre astfel de procese (abstracția nucleonilor) a fost deja luat în considerare mai sus. Pentru un nucleu compus, mai multe canale de dezintegrare pot exista simultan. În plus, trecerea la starea fundamentală poate avea loc ca urmare a emisiei unei cuanti γ (această reacție se numește captarea radiațiilor). Emisia de γ-quanta de către nucleu are loc sub acțiunea forțelor electromagnetice, adică. pe scara de timp nucleară este, de asemenea, destul de lent (după 10 –11 –10 –7 s - vezi punctul 9.3). Astfel, reacțiile de captare a radiațiilor trec și prin nucleul compus.

Secțiunea transversală a reacției care trece prin nucleul compus poate fi scrisă sub formă

, (11.11)

Unde w b- probabilitatea dezintegrarii unui nucleu compus pe canalul b, și

Se numește dependența secțiunii transversale pentru o reacție nucleară de energia cinetică a particulelor incidente funcția de excitație.

Informații similare.

Reacțiile nucleare sunt transformări ale nucleelor atomice atunci când interacționează cu particule elementare (inclusiv g-quanta) sau între ele. Cel mai comun tip de reacție nucleară este o reacție, scrisă simbolic după cum urmează:

unde X și Y sunt nucleele inițiale și finale, Ași b- particulele care bombardează și emise (sau emise) într-o reacție nucleară.

În fizica nucleară, eficiența interacțiunii este caracterizată de secțiunea transversală efectivă A. Secțiunea transversală efectivă este asociată cu fiecare tip de interacțiune dintre particule și nucleu: secțiunea transversală efectivă de împrăștiere determină procesele de împrăștiere, iar secțiunea transversală de absorbție efectivă determină procesele de absorbție. Secțiune transversală efectivă a unei reacții nucleare

Unde N este numărul de particule care cad pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale a unei substanțe având nnuclei pe unitate de volum, dN este numărul acestor particule care intră într-o reacție nucleară într-un strat de grosime dx . Secțiune eficientă A are dimensiunea ariei și caracterizează probabilitatea ca o reacție să se producă atunci când un fascicul de particule cade pe o substanță.

Unitatea secțiunii transversale efective a proceselor nucleare este hambar(1 hambar = 10 -28 m 2).

În orice reacție nucleară, legi de conservare sarcini electriceși numere de masă: suma sarcinilor (și suma numerelor de masă) nucleelor și particulelor care intră într-o reacție nucleară este egală cu suma sarcinilor (și suma numerelor de masă) produselor finale (nuclee și particule) a reacţiei. De asemenea, executat legile de conservare a energiei, momentului și momentului unghiular.

Un rol important în explicarea mecanismului multor reacții nucleare l-a jucat presupunerea lui N. Bohr (1936) că reacțiile nucleare se desfășoară în două etape după următoarea schemă:

Prima etapă este captarea unei particule X de către nucleu A, abordat de acesta la o distanță de acțiunea forțelor nucleare (aproximativ 2 × 10 -15 m), și formarea unui nucleu intermediar C, numit compozit (sau nucleu compus). Energia particulei care a zburat în nucleu este distribuită rapid între nucleonii nucleului compus, drept urmare ea apare într-o stare excitată. Când nucleonii unui nucleu compus se ciocnesc, unul dintre nucleoni (sau combinația lor, de exemplu, un deuteron - nucleul unui izotop greu de hidrogen - deuteriu, care conține un proton și un neutron) sau o particulă a poate primi suficientă energie. a scăpa din nucleu. Ca rezultat, a doua etapă a reacției nucleare este posibilă - dezintegrarea unui nucleu compus într-un nucleu Y și o particulă b. .

În fizica nucleară, se introduce un timp nuclear caracteristic - timpul necesar unei particule pentru a zbura pe o distanță de ordinul mărimii egală cu diametrul nucleului (d »10 -15 m). Deci, pentru o particulă cu o energie de 1 MeV (care corespunde vitezei sale v »10 7 m / s), timpul nuclear caracteristic este t = 10 -15 m / 10 7 m / s = 10 -22 s. Pe de altă parte, s-a dovedit că durata de viață a unui nucleu compus este de 10 - 16 -10 - 12 s, i.e. este (10 6 -10 10) m. Aceasta înseamnă, de asemenea, că în timpul vieții unui nucleu compus pot avea loc o mulțime de ciocniri de nucleoni între ei, adică redistribuirea energiei între nucleoni este cu adevărat posibilă. În consecință, nucleul compus trăiește atât de mult încât „uită” complet cum s-a format. Prin urmare, natura dezintegrarii nucleului compus (emisia particulei b de către acesta) - a doua etapă a reacției nucleare - nu depinde de metoda de formare a nucleului compus - prima etapă.

Reacțiile nucleare sunt clasificate după următoarele criterii:

1) de către tipul de particule implicate- reactii sub influenta neutronilor; reacții sub influența particulelor încărcate (de exemplu, protoni, deuteroni, particule a); reacții sub influența g-quantelor;

2) prin energia particulelor care le provoacă - reacții la energii joase (de ordinul electronvolților), care au loc în principal cu participarea neutronilor; reacții la energii medii (până la câțiva megaelectroni-volți) care implică g cuante și particule încărcate (protoni, particule a); reacții la energii mari (sute și mii de megaelectron-volți), conducând la crearea de particule elementare absente în stare liberă și având mare importanță a le studia;

3) prin natura nucleelor care participă la ele- reacții pe nuclee ușoare (A<50); реакции на средних ядрах (50 < A < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) prin natura transformărilor nucleare în curs- reactii cu emisie de neutroni; reacții cu emisie de particule încărcate; reacții de captare (în aceste reacții, nucleul compus nu emite nicio particule, ci trece în starea fundamentală, emițând una sau mai multe g-quante).

Prima reacție nucleară din istorie a fost efectuată de E. Rutherford (1919) când un nucleu de azot a fost bombardat cu o particule emise de o sursă radioactivă.