Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Ядерные реакции. Деление ядер

Лекция 14.

 

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящих к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10-13см благодаря действию ядерных сил.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром Х, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

 

 

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде:

 

 

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы; сначала исходная, затем конечная.

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Она является разностью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер.

В 1936 г. Н.Бор установил, что реакции вызываемые не очень быстрыми частицами, протекает в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру Х частицы а и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она складывается из кинетической энергии частицы и энергии её связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу b.

 

Если испущенная частица тождественна с захваченной (b = а), процесс называется рассеянием. В случае, когда энергия частицы b равна энергии частицы а (Еb= Еа), рассеяние называется упругим, в противном случае рассеяние – неупругое.

Промежуток времени tя, который требуется нуклону с энергией порядка 1 МэВ (что соответствует скорости нуклона около 109см/с) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (10-12см), называется ядерным временем (или ядерным временем пролета).

 

Среднее время жизни составного ядра (10-14- 10-12с) на много порядков превосходит ядерное время пролета. Следовательно, распад составного ядра представляет собой процесс, не зависящий от первого этапа реакции (составное ядро как бы «забывает» способ своего образования).

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами или дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий. В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью эффективного сечения (или просто сечения), s.

Сечение - величина, определяющая вероятность перехода системы взаимодействующих частиц в определенное конечное состояние. Величина сечения равна отношению числа таких переходов в единицу времени I к числу частиц, падающих на мишень в единицу времени I0 отнесенное к количеству частиц мишени в единице площади n

 

Сечение имеет размерность площади. Обычно используется единица барн или ее производные - 1 барн = 10-24 см2, 1 миллибарн = 10-3 б, 1 микробарн = 10-6 б. Различным процессам соответствуют различные величины сечений. Величина сечения реакции зависит от типа и энергии частиц и характера их взаимодействия. Часто наблюдаются случаи, когда сечение захвата нейтронов имеет резко выраженный максимум для нейтронов определенной энергии. В качестве примера на рис.3.9 приведена кривая зависимости сечения захвата нейтрона ядром 238U от энергии нейтрона Е.

lns
~7 эВ
10 барн
~23000 барн
lnE
Рис.3.9.

Такое резонансное поглощение имеет место в том случае, когда энергия, привносимая нейтроном в составное ядро, в точности равна той энергии, которая необходима для перевода составного ядра на возбужденный энергетический уровень. Для справки:

1. Сечения упругого рассеяния нейтронов с энергией ~10 МэВ на атомных ядрах.
(n,n) 0.1 барн.
Реакция происходит в результате сильного взаимодействия между нейтроном и ядром.

2. Сечения радиационного захвата тепловых нейтронов (En ~ 1 эВ) атомными ядрами вблизи резонанса.
(n,) 106 барн.
Деление ядер. Деление атомных ядер было открыто при бомбардировке нейтронами ядер урана. Рассчитывали получить трансурановые элементы, однако Ган и Штрассман после тщательного химического анализа образующихся элементов обнаружили среди них атомы среднего веса. Мейтнер и Фриш предположили, что ядра урана после захвата нейтрона делятся на два примерно равных по массе осколка.
Наибольшую устойчивость имеют ядра с А = 40-120, т.е. находящиеся в середине периодической таблицы. Энергетически выгодными являются процессы соединения (синтеза) легких ядер и деления тяжелых ядер. В обоих случаях конечные ядра располагаются в той области значений А, где удельная энергия связи большее, чем удельная энергия связи начальных ядер (рис.3.7). В процессе деления ядро изменяет форму - последовательно проходит через следующие стадии (рис.3.10): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Кривая, изображенная на рис.3.11, даёт относительных выход (в процентах) осколков разной массы, возникающих при делении 235U медленными (тепловыми) нейтронами.

 

 

 
Рис.3.10. Изменение формы ядра в процессе деления

 

После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю

 

Рис.3.11.

Массы осколков, образующихся при делении тепловыми нейтронами не равны. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов. Наиболее вероятная комбинация массовых чисел - 95 и 139. Удельная энергия связи для ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер. Отсюда следует, что деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре 235U равно 1.55, в то время как у стабильных элементов, имеющих массу, близкую к массе осколков деления, это отношение 1.25-1.45. Следовательно, осколки деления сильно перегружены нейтронами и неустойчивы к --распаду, т.е.- радиоактивны.
В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Около 80% ее приходится на энергию осколков. За один акт деления образуется более двух мгновенных нейтронов деления со средней энергией ~2 МэВ. Часть (около 0.75%) нейтронов, получивших название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин.

Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не устраняет полностью перегрузку осколков деления нейтронами. Поэтому осколки деления в большинстве радиоактивны и претерпевают цепочку b -- превращений, сопровождаемых испусканием g-лучей. Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим образом:

.

Осколки деления – цезий и рубидий – претерпевают превращения:

 

 

Конечные продукты – церий и цирконий – являются стабильными.

Ядра 235239Puделятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Ядра 238Uделятся только быстрыми нейтронами (энергия более 1 МэВ).

Испускание при делении ядер 233U, 235239Puнескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра zнейтронов могут вызвать деление zядер, в результате будет испущено z2нейтронов, которые вызовут деление z2ядер, и т.д.

Термоядерная реакция. Ядерный синтез, т.е. слияние ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Z1 и Z2должны обладать энергией

 

где rя– радиус действия ядерных сил, равный приблизительно 2 10-13см, Даже для Z1 = Z2= 1 эта энергия составляет ~0,7 МэВ. на долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной этой энергии, соответствует температура порядка 2 109К. Однако из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. кроме того, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 107К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития, так как реакция между ними носит резонансный характер. Именно эти вещества образуют заряд водородной бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при которой возникает температура порядка 107К. Реакция синтеза дейтрона (d) и ядра трития (31He)

 

сопровождается выделением энергии, равной 17,6 МэВ, что составляет около 3,5МэВ на кулон. Деление ядра урана приводит к освобождению примерно 0,85 МэВ на нуклон.

Осуществление управляемой термоядерной реакции даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Лекция 13. Бета-распад.Бета – излучение – это испускание ядрами электронов или позитронов, сопровождающееся испусканием нейтрино или позитронов | Элементарные частицы
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 861; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.022 сек.