В общем виде ядерное взаимодействие можно записать в форме:
Наиболее распространенным типом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы a с ядром X , в результате чего образуется частица b и ядро Y . Это записывают символически так:
Роль частиц a и b чаще всего выполняют нейтрон n , протон p , дейтрон d , α-частица и γ-квант.
Процесс (4.2) обычно происходит неоднозначно, так как реакция может идти несколькими конкурирующими способами, т.е. частицы, рождающиеся в результате ядерной реакции (4.2), могут быть разными:
.gif) .
|
Разные возможности протекания ядерной реакции на втором этапе иногда называют каналами реакции . Начальный этап реакции называется входным каналом.
Два последних канала реакции относятся к случаям неупругого (A 1 + a ) и упругого (A + a ) ядерного рассеяния. Эти частные случаи ядерного взаимодействия отличаются от других тем, что продукты реакции совпадают с частицами, вступающими в реакцию, причем при упругом рассеянии сохраняется не только тип ядра, но и его внутреннее состояние, а при неупругом рассеянии внутреннее состояние ядра изменяется (ядро переходит в возбужденное состояние).
 Рисунок 4.1. Качественная зависимость вероятности распада ядра от энергии. |
При изучении ядерной реакции представляет интерес идентификация каналов реакции, сравнительная вероятность протекания ее по разным каналам при различных энергиях падающих частиц. Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях . Состояние стабильного или радиоактивного ядра, которое соответствует минимальной энергии (массе) E 0 называется основным. Из квантовой механики известно, что между энергией состояния и его временем жизни имеет место соотношение Гейзенберга :
|
Возбужденные ядра, испытывают различные виды энергетических переходов. Энергия возбуждения может сбрасываться по различными каналами (переводя ядра в основное состояние): испускания γ-квантов, деление ядра и т.д. По этой причине вводится понятие парциальной ширины уровня Γ i . Парциальная ширина резонансного уровня есть вероятность распада по i -му каналу. Тогда вероятность распада в единицу времени ω может быть представлена в виде:
 .
|
Также большой интерес представляет энергия и угловое распределение образующихся частиц, и их внутреннее состояние (энергия возбуждения, спин, четность, изотопический спин).
Многие сведения о ядерных реакциях могут быть получены в результате применения законов сохранения.
Более подробную информацию по этому разделу можно посмотреть .
Большую роль в развитии представлений о структуре ядер
сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и
четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек.
Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами
позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми
моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило
одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер
образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в
значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях
с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы
β-стабильности.
Ядра, удаленные от полосы β-стабильности,
отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным
взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов,
существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в
новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и
рядом других специфических особенностей атомных ядер.
При анализе ядерных реакций необходимо учитывать
волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса
взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так
для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны
меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина
дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0.1 МэВ длина
волны
больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией
10 МэВ.
Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.
Реакции на медленных нейтронах
«1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо
Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была
придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых
можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него
вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это
знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг
Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное:
активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его
поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и
Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен
приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным
измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил
им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и
посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса.
Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять
на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе,
его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку.
Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они
поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили
разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец
−
вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое!
− предложил Ферми.
−
Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином.
Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь
поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к
счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание
загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин
увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз.
В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв,
установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико
воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже
была готова теория, которая объясняла странное действие парафина».
Существуют различные толкования термина ядерные реакции. В широком смысле ядерной реакцией называется любой процесс, начинающийся столкновением двух, редко нескольких, частиц (простых или сложных) и идущий, как правило, с участием сильных взаимодействий. Этому определению удовлетворяют и ядерные реакции в узком смысле этого слова, под которыми понимаются процессы, начинающиеся столкновением простой или сложной частицы (нуклон, а-частица, у-квант) с ядром. Отметим, что определению реакции удовлетворяет, как частный случай, и рассеяние частиц.1 Два примера ядерных реакций приведены ниже.
Исторически первая ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г. - открытие протона):
Открытие нейтрона (Чедвик, 1932 г.):
Изучение ядерных реакций необходимо для получения информации о свойствах новых ядер и элементарных частиц, возбужденных состояний ядер и т.д. Не следует забывать, что в микромире из-за наличия квантовых закономерностей на частицу или ядро нельзя «посмотреть». Поэтому основным методом изучения микрообъектов является изучение их столкновений, т. е. ядерных реакций. В прикладном отношении ядерные реакции нужны для использования ядерной энергии, а также для получения искусственных радионуклидов.
Ядерные реакции могут происходить в естественных условиях (например, в недрах звезд или в космических лучах). Но их изучение обычно проводят в лабораторных условиях, на экспериментальных установках. Для осуществления ядерных реакций необходимо сблизить частицы или ядра с ядрами до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Сближению заряженных частиц с ядрами препятствует кулоновский барьер. Поэтому для осуществления ядерных реакций на заряженных частицах используют ускорители , в которых частицы, разгоняясь в электрическом поле, приобретают энергию, необходимую для преодоления барьера. Иногда эта энергия сравнима с энергией покоя частицы или даже превышает ее: в этом случае движение описывается законами релятивистской механики. В обычных ускорителях (линейный ускоритель , циклотрон и т.п.) более тяжелая из двух сталкивающихся частиц, как правило, покоится, а более легкая па нес налетает. Покоящаяся частица называется мишенью {англ. - target). Налегающие, или бомбардирующие , частицы в русском языке специального названия не получили (в английском языке употребляется термин projectile - снаряд). В ускорителях на встречных пучках {коллайдерах) обе сталкивающиеся частицы движутся, так что разделение на мишень и пучок налетающих частиц теряет смысл.
Энергия заряженной частицы в реакции может быть и меньше высоты кулоновского барьера, как это было в классических опытах Дж. Коккрофта и Э. Уолтона, которые в 1932 г. осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки их ускоренными прогонами. В их опытах проникновение протона в ядро мишени происходило путем туннелирования через кулоновский потенциальный барьер (см. Лекцию 7). Вероятность такого процесса, разумеется, очень мала из-за малой прозрачности барьера.
Для символической записи ядерных реакций существует несколько способов, два из которых приведены ниже:
Совокупность сталкивающихся частиц в определенном квантовом состоянии (например, р и Li) называют входным каналом ядерной реакции. При столкновениях одних и тех же частиц (фиксированный входной канал) в общем случае могут появляться различные продукты реакции. Так, при столкновениях протонов с Li возможны реакции Li(р, 2а), Li(р, п) Be, 7 Li(/;, df Be и др. В этом случае говорят о конкурирующих процессах, или о множестве выходных каналов.
Часто ядерные реакции записывают в еще более короткой форме: (а, Ь) - т.е. указывая только легкие частицы и не указывая ядра, участвующие в реакции. Например, запись (/>, п) означает выбивание протоном нейтрона из какого- либо ядра, (п , у) - поглощение нейтрона ядром с испусканием у-кванта, и т.п.
Классификация ядерных реакций может быть проведена по следующим признакам:
I. По типу протекающего процесса
- 1) радиационный захват: (л, у), (р, у)
- 2) ядерный фотоэффект: (у, л), (у, р)
- 3) нуклон-нуклонные реакции:
- а) выбивание нуклона или группы нуклонов (л,р), (р , а) и т.п.
- б) «испарение» нуклонов (/?, 2л), (р , 2р) и т.п.
- в) срыв (d , /?), (d, п) и подхват (р, d ), (л, d)
- 4) деление: (л, Д (р,Д О/,У)
- 5) синтез(слияние)
- 6) неупругое рассеяние: (л, л ’)
- 7) упругое рассеяние: (л, л)
//. По признаку выделения или поглощения энергии
- 1) экзотермические реакции
- 2) эндотермические реакции
III. По энергии бомбардирующих частиц
- 1) малых энергий (
- 2) средних энергий (1 кэВ-10 МэВ)
- 3) высоких энергий (> 10 МэВ)
IV. По массе бомбардируемых ядер
- 1) на легких ядрах {А 50)
- 2) на ядрах средних масс (50 А
- 3) на тяжелых ядрах (А > 100)
V По виду бомбардирующих частиц
- 1) на заряженных частицах (/;, с!,а и более тяжелые ионы)
- 2) на нейтронах
- 3) на фотонах (фотоядерные реакции)
- При упругом рассеянии частицы нс претерпевают каких-либо внутренних изменений, и нс появляетсяновых частиц. Имеет место лишь перераспределение энергии и импульса между ними. При неупругомрассеянии наряду с таким обменом происходит изменение внутреннего состояния хотя бы одной изчастиц.
- Об ускорителях заряженных частиц см. Лекцию 15.
- d - принятый символ для дейтрона, ядра атома дейтерия.
Испускание элементарных частиц и тепловой энергии. Ядерные рии могут сопровождаться как выделением энергии так и ее поглощением. Колво энергии называется энергией рии это разность масс исходных и конечных ядер. Классификации по след признакам: L по энергии элемент частиц участвуют в ядерных рциях: при малых энергиях 1эВ рции на медленных нейтронах: рции на эл частицах средней энергии с заряж частиц электронов протонов ионов дейтонов =1МэВ; на частицах высокой энергии 103МэВ космические лучи частицы получают в ускорителях...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
45. Ядерные реакции и их классификация
Ядерные реакции - это процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другом ядром, приводящих к превращению ядер. Испускание элементарных частиц и тепловой энергии. Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояния порядка 10~ 13 см благодаря действию ядерных сил. Наиболее распространения ядерная реакцией является, взаимодействуют легкой частицы, а с ядром X , в результирующего которого образ эл частица b и ядро Х. Ядерные р-ии могут сопровождаться как выделением энергии так и ее поглощением. Кол-во энергии называется энергией р-ии - это разность масс исходных и конечных ядер. Классификации по след признакам: L по энергии элемент частиц, участвуют в ядерных р-циях: при малых энергиях 1эВ - р-ции на медленных нейтронах: р-ции на эл частицах средней энергии с заряж частиц -электронов, протонов,ионов, дейтонов >=1МэВ; на частицах высокой энергии(~10 3 МэВ - космические лучи, частицы получают в ускорителях) по природе участвуют элемент частица нейтронах; на заряженных частицах; вызываемые у - квантами, по природе(массе) ядер участвуют в р-ции: на легких(А Σ погл - можно подобрать такие размеры шара из делящегося вещества, чтобы излишек нейтронов уходил через границы шара (не допустить ядерного взрыва).
Введем обозначение ω 2 = (Σ погл - υΣ дел)/D > 0 . Уравнение (17) примет вид
(18)
Его общее решение выглядит как
(19)
Коэффициент B в (19) надо положить равным нулю, чтобы решение не расходилось при r = 0 . Нахождение окончательного решения осложнено корректным учетом граничного условия, и для естественной смеси изотопов урана (235 U - 0.7%, 235 U - 99.3%, Σ погл = 0.357 1/см, Σ дел = 0.193 1/см, υ = 2.46) получаем в качестве минимального значения всего R ≈ 5 см. Чем эта задача отличается от реальной? В действительности нейтроны рождаются быстрыми, и их надо замедлить до тепловых энергий. Первый реактор, построенный Э. Ферми (1942 год), имел размеры порядка 350 см.
Цепная реакция. Атомный реактор
Устройства, в которых энергия получается за счет стационарной цепной реакции деления, называют атомными реакторами (например, говорят, атомная электростанция, АЭС), хотя по сути это ядерные реакторы. Конструкция атомных реакторов очень сложна, но необходимым элементом любого реактора является активная зона, в которой происходит реакция деления.
Активная зона содержит делящееся вещество, замедлитель, управляющие (регулирующие) стержни, элементы конструкции и окружена отражателем нейтронов для уменьшения потерь последних. Все это находится внутри защиты от потока нейтронов, γ -излучения.
- Судьба нейтрона в активной зоне
захват ядром урана с последующим делением этого ядра;
захват ядром урана с последующим переходом ядра в основное состояние с испусканием γ -квантов (радиационный захват);
захват ядрами замедлителя или элементов конструкции;
вылет из активной зоны;
поглощение регулирующими стержнями.
Нейтроны испускаются при делении ядер, затем поглощаются или покидают активную зону. Обозначим через k коэффициент размножения - отношение числа нейтронов последующего поколения n i+1 к числу в предыдущем n i
Если ввести время жизни поколения τ , то уравнение для числа нейтронов n и его решение будут выглядеть так
(21)
Если коэффициент k отличен от 1, то число нейтронов убывает (k) или возрастает (k > 1 ) по экспоненциальному закону, т.е.очень быстро.
(Проследите за влиянием коэффициента размножения k и времени жизни поколения τ на динамику числа нейтронов на простом опыте )
Коэффициент размножения k можно представить в виде произведения коэффициента k ∞ для бесконечной среды и вероятности не покинуть активную зону χ
Величина χ зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, материала отражателя.
Рассматривая реактор, работающий на тепловых нейтронов, коэффициент k ∞ можно представить в виде четырех сомножителей
- где
ε - коэффициент размножения на быстрых нейтронах (для реальных систем из урана и графита ε ~ 1.03);
p - вероятность избежать резонансного захвата при замедлении. Вспомним, что рождаются нейтроны быстрыми, и при замедлении до тепловых энергий им надо преодолеть область резонансов в сечении поглощения (см. рис.10);
f - доля нейтронов, поглощаемая ядрами урана (а не замедлителя или элементов конструкции). ε·p·f ≈ 0.8 ;
η - среднее число нейтронов, испускаемых на один акт захвата ядром урана (при захвате может произойти деление ядра, а может испускание γ -квантов). η ≈ 1.35 (сравните с ~2.5 для числа нейтронов на один акт деления).
Из приведенных данных следует k ∞ = 1.08 и χ = 0.93 , что соответствует размерам реактора порядка 5 - 10 м.
Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся ядерная реакция деления. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приведет к ядерному взрыву.
Критическая масса зависит от размеров и формы делящегося образца, так как они определяют утечку нейтронов из образца через его поверхность. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, так как площадь его поверхности наименьшая. Отражатели и замедлители нейтронов, окружающие делящееся вещество, могут существенно снизить критическую массу. Критическая масса зависит и от химического состава образца.
"Дедушкой" отечественных ядерных реакторов является первый физический реактор Ф-1, получивший статус памятника науки и техники. Он запущен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова. В качестве замедлителя использован очищенный графит в виде брусков с отверстиями для урановых стержней. Управление осуществлялось стержнями, содержащими кадмий, сильно поглощающий тепловые нейтроны. В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Мощность реактора составляла порядка 100 Вт, специальной системы теплоотвода не было. При работе тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора. Этот реактор исправно работает и до сих пор.
Доля ядерной энергетики в глобальном производстве электричества составляла в разные годы 10-20%. Наибольший процент (~74) электроэнергии производится
на АЭС во Франции. В России ~15%.
Как выглядит процесс физического пуска атомного реактора показывает
компьютерная модель. Если Вы хотите проверить, как усвоен материал лекции,