Теории и типы ядерной реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. История исследования ядерной реакции

1.1 Теория относительности и квантовая теория

1.2 Нерелятивистская квантовая теория

1.3 Создание первой ядерной реакции

Глава 2. Типы ядерной реакции

2.1 Ядерные реакции под действием нейтронов

2.2 Ядерные реакции под действием протонов

2.3 Ядерные реакции под действием дейтронов

2.4 Ядерные реакции под действием г- квантов

2.5 Деление тяжелых ядер

Заключение

Список использованной литературы

реакция ядерный нейтрон протон

Введение

Актуальность темы. Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех направлениях:

1. Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая материя.

2. Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.

3. Описание движения частиц под действием известных сил.

Большую роль в развитии представлений о структуре ядер сыграло изучение ядерных реакций, что способствовало развитию модели оболочек. Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми моментами.

После того как стало очевидно, что атом состоит из более мелких частиц, которые произвольно перегруппировываются при радиоактивных преобразованиях, следующий шаг казался почти предопределенным.

У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи.

Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной.

Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства - это молекулы и атомы.

Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки «элементарны».

Объект исследования - ядерная реакция.

Предмет исследования - теории и типы ядерной реакции.

Цель исследования - рассмотреть сущность исследования ядерной реакции, а также основные типы.

Исходя из цели данной работы нами были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть историю исследования ядерной реакции;

- проанализировать теорию относительности, квантовую и нерелятивистскую квантовую теории;

- выявить основные типы ядерной реакции.

В работе были использованы труды таких авторов как: Андрианов А.А., Воропаев А.И., Коровин Ю. [1]. Антошина Л.Г., Павлов С.В., Скипетрова Л.А. [2], Вишнякова Е.А. [5], Врублевская Г.В., Гончаренко И.А., Ильюшонок А.В. [6], Кузнецов С.И., Лидер А.М. [13] и многие другие.

Практическая значимость работы заключается в том, что основные выводы по работе могут быть использованы как в качестве теоретической так и практической основы.

Данная работа состоит из введения, двух глав, включающих параграфы, заключения и списка использованной литературы.

Глава 1. История исследования ядерной реакции

1.1 Теория относительности и квантовая теория

Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру.

В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном был открыт электрон - носитель отрицательного элементарного электрического заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений. В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:

- теория относительности;

- квантовая теория [5, C.47].

Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира.

Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений [11, C.96].

В основу теории относительности положены две физические концепции.

Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы.

Существует предельная скорость распространения взаимодействия - скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории. Существование предельной скорости распространения взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и временными интервалами.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел.

М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными [19, C.41].

, (1)

где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, T - температура, - частота излучения.

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа - постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее применимости.

Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и импульс:

E = h, = (h/), (2)

где и - длина волны и частота фотона, - единичный вектор в направлении распространения волны [13, C.132].

Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым.

На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи.

В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов [20, C.236].

E = , = , |p| = h//, (3)

где h = 2, = 2 - длина волны, которую можно сопоставить с частицей.

Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы.

Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества [5, C.147].

Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы x и неопределенность в значении компоненты импульса частицы px связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году.

x·px (4)

Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904 году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов.

Размер атома ~10-8 см. Прямые экспериментальные исследования строения атома были выполнены в 1911 году Э. Резерфордом, который изучал рассеяние -частиц при прохождении через тонкую фольгу [18, C.228].

Угловое распределение -частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной области размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для планетарной модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Размер атома определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено 99,98% его массы.

Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физики невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома. Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были излучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро. Поскольку такие явления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить с помощью квантовых представлений, вполне разумно казалось попытаться с помощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома [16, C.32].

В 1913 году Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля. Таким образом устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусы которых rn определяются соотношением:

rn = n2h2/Zmee, (5)

что соответствует определенным энергетическим уровням атома

En = - Z2e4me/2n2h2. (6)

Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии - фотон

h = Ei - Ek, (7)

где Ei и Ek - энергии уровней, между которыми происходит переход.

1.2 Нерелятивистская квантовая теория

К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н. Бора не может дать полного описания свойств атома.

В 1925 - 1926 гг. в работах В. Гейзенберга и Э. Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений - квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера [10, C.112].

(8)

где (x,y,z,t) - волновая функция, - оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы)

В нерелятивистском случае

, (9)

где m - масса частицы, - оператор импульса, U(x,y,z) - потенциальная энергия частицы.

Задать закон движения частицы в квантовой механике это значит определить значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке пространства. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль как и второй закон Ньютона в классической механике. Самой поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный характер. Вероятностный характер законов является фундаментальным свойством микромира. Квадрат модуля волновой функции, описывающей состояние квантовой системы, вычисленный в некоторой точке, определяет вероятность обнаружить частицу в данной точке.

Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра связано с открытием в 1898 году А. Беккерелем радиоактивности. Это произошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал его существование. Оказалось, что некоторые минералы естественного происхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы [14, C.254].

По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучение состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся друг от друга:

1. Нейтрально заряженных частиц - фотонов.

2. Отрицательно заряженных частиц- электронов.

3. Положительно заряженных частиц [7, C.133].

Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро. Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться радиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивного распада сыграли работы Пьера и Марии Кюри.

Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительно заряженных частиц в электрическом поле, Э. Резерфорд показал, что это частицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф. Астон построил первый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значения масс атомных ядер. Было доказано, что положительно заряженные частицы, обнаруженные при радиоактивном распаде ядер, являются ядрами атома гелия. Эти частицы были названы -частицами.

1.3 Создание первой ядерной реакции

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию -частиц на различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота -частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой впервые были обнаружены протоны, записывается в виде [6, C.113].

14N + 17O + p (10)

Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что Э. Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались сделать алхимики - превратить одно вещество в другое. Ядро азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция, осуществленная искусственно в лабораторных условиях.

В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными частицами, входящими в состав атомного ядра.

Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью ~10% пропорциональны массе протона - M ~ Amp, где A принимает только целочисленные значения. Этот факт послужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. В этой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из A протонов и (A-Z) электронов. В этой модели легко объяснялись обнаруженная Астоном пропорциональность массы атомного ядра числу A и величина заряда атомного ядра. Однако, по мере накопления экспериментальных данных по массам атомных ядер, магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модель ядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальных данных. Тем не менее, протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до 1932 года [8, C.99].

Простейшая модель -распада была предложена в 1928 году Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном. В этой модели предполагалось, что -частица постоянно существует в ядре. Вероятность -распада в основном определяется вероятностью прохождения -частиц через кулоновский потенциальный барьер.

В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия -частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержала испытания временем и, как показывают экспериментальнные наблюдения, в обычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, связанные с внутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10-13 см [6, C.254].

Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня мы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием сильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов. Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии - изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новая квантовая характеристика - изоспин.

С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшем удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых элементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов.

Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по рассеянию -частиц на легких ядрах дали основание предполагать, что плотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Это предположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах Р. Хофштатера по рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенных вблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядерной материи и электрического заряда практически совпадают.

Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены следующие закономерности:

- Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм3.

- Толщина поверхностного слоя (спад плотности от 0.90 до 0.10) у всех ядер примерно одинакова d = 4.4a = 2.4·Фм.

- Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов, R = 1.3A1/3 Фм [8, C.165].

Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике.

Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два -кванта.

. (11)

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется.

Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица. Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичиком» в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующая элементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией. Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон, электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер?

Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. через год после открытия нейтрона итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории -распада. -Распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада [20, C.365]. Изучение процесса -распада показало, что испускание электронов вызвано не электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новым типом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. В будущем оно принесло в физику много неожиданных и сенсационных открытий.

Изучение явления -распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в 1930 г. высказал предположение, что в процессе -распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином 1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе -распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали обнаружение ее чрезвычайно трудной задачей. Дело в том, что нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10-34 см2. Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино. (Антинейтрино было зарегистрировано с помощью реакции [11, C.47].

Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино образуются в большом количестве). Гипотеза Паули получила блестящее подтверждение.

Глава 2. Типы ядерной реакции

2.1 Ядерные реакции под действием нейтронов

К началу 40-х годов было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Реакция деления тяжелых ядер происходит как под действием нейтронов, так и других частиц. Нейтрон, проникающий в ядро, вносит туда энергию, которая в очень короткое время распределяется между всеми нуклонами. В результате образуется новое ядро в возбужденном состоянии. Если энергия возбуждения невелика, то разделения ядра не происходит, и ядро, потеряв избыток энергии путем испускания g-фотона или нейтрона, возвратится в исходное состояние. Но если вносимая нейтроном энергия велика, то возбужденное ядро-капля начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка, и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с огромными скоростями, вследствие действия между ними сил электростатического отталкивания. Мерой устойчивости ядер к делению является отношение электростатической энергии отталкивания протонов, стремящейся разорвать ядро, к энергии поверхностного натяжения, стремящейся удержать ядро в равновесии [15, C.85].

Условие устойчивости имеет вид:

 < 45 (12)

Энергия, до которой нужно возбудить ядро, чтобы произошел процесс деления, называется критической энергией.

Екр для 235U = 6,5 МэВ, для 238U = 7 МэВ.

Энергия, вносимая в ядро медленным нейтроном, для 235U = 6,8 МэВ, а для 238U = 5,5 МэВ.

Поэтому деление 235U возможно как медленными, так и быстрыми нейтронами, а 238U - только быстрыми.

Замечательной особенностью реакции деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трёх вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Т.к. для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z ~ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z ~ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпевать ряд электронных b-превращений, сопровождаемых испусканием g-квантов:

  +  + е (13)

Большинство нейтронов при делении испускаются практически мгновенно (t Ј 10-14 c), а часть (около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 Ј t Ј 60 c) [6, C.220].

Первые из них называются мгновенными, вторые -запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтрона. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ.

Для осуществления цепной реакции деления необходимо, чтобы хотя бы один из вторичных нейтронов, образующихся при одном акте деления, смог вызвать следующий акт деления.

Несмотря на то, что в процессе деления ядра урана в среднем возникает 2-3 нейтрона, не все они участвуют в ядерных реакциях, а те нейтроны, которые попадают в ядро, не всегда вызывают деление. Условие существования цепной реакции определяется величиной коэффициента размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.

При k< 1 цепная ядерная реакция невозможна, при k =1 поддерживается цепная реакция с постоянным количеством нейтронов, такая реакция применяется в ядерных реакторах.

При k > 1 число нейтронов, а значит и число делений, непрерывно возрастает и реакция может стать взрывной. Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности, для данного изотопа он зависит от количества делящегося вещества, от его геометрической формы и объема [10, C.166].

При одной и той же массе потери тем меньше, чем меньше поверхность куска, поэтому для развития реакции выгоднее шарообразная форма делящегося вещества. Увеличивая массу можно достичь состояния, при котором k =1 и реакция перестанет затухать. Предельная масса, при которой выполняется условие k =1, называется критической массой.

Для 92U235 mк = 47 кг, а для среды из урана с частыми и тонкими полиэтиленовыми прокладками и с отражающей оболочкой из бериллия mк = 242 г.

Для получения максимума энергии от деления необходимо, чтобы как можно большее число нейтронов использовалось только для осуществления деления, т.е. нужно свести к минимуму число нейтронов, исчезающих в результате радиационного захвата. При энергиях нейтронов порядка 0,01 эВ вероятность реакции деления ~ в 1000 раз выше, чем при энергии 1 МэВ, поэтому для протекания самоподдерживающейся цепной реакции необходимо замедлять нейтроны.

2.2 Ядерные реакции под действием протонов

В то время как эффективное сечение у ядерных реакций под действием медленных нейтронов достаточно большое и превышает геометрическое сечение ядра, величина у для ядерных реакций под действием протонов малых энергий бесконечно мала и увеличивается с увеличением их энергии. Это объясняется тем, что для протонов существует потенциальный барьер ядра и частица должна преодолеть кулоновское отталкивание.

По этой причине, только в случае существования большей собственной энергии протон может подойти близко к ядру и вызвать ядерную реакцию. В случае ядер с малым массовым числом ядерные реакции под действием протонов могут происходить при меньших значениях энергии протонов, поскольку возникает вероятность туннельного эффекта. Под действием протонов возможны ядерные реакции (p, г), (p, n) и (p, б) [5, C.14].

Реакция (p, б) под действием протонов была получена в ускорителях в 1932 г. Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном:

37Li(p, б)24 He, реакция: 37Li(p,г)48 Be

часто используется для получения г -- лучей. С помощью реакции 1327Al(б,n)1530P открыли искусственную радиоактивность.

2.3 Ядерные реакции под действием дейтронов

Если большинство ядерных реакций под действием частиц, энергии которых равны несколько эВ происходят с созданием промежуточного сложенного ядра, то для ядерных реакций под действием дейтронов характерными являются так званные прямые реакции без создания сложенных ядер. Эта особенность обусловлена тем, что дейтрон представляет собой относительно слабо связанную и достаточно мощную систему двух нуклонов. Энергия связи становит всего лишь 2,225 МэВ, а среднее расстояние между нуклонами в дейтроне почти у два раза больше эффективного радиуса действия ядерных сил.

При изучении ядерных реакций под действием дейтронов установлено, что при энергиях дейтрона от 1 до 8 МэВ происходят преимущественно реакции (D, p). Энергетический порог реакции типа (D, n), оказывается высшим, чем порог предыдущего типа реакций, что оставалось непонятным с точки зрения гипотезы строения ядра. Впервые механизм реакции под действием дейтронов объяснили у 1935 г. Р Оппенгеймер и М. Филлипс. Они предположили, что в случае бомбардировки ядер дейтронами с большей вероятностью происходит захват ядром только одного с нуклонов. При этом второй нуклон пролетает дальше, не поддавшись никакому взаимодействию с ядром. Когда дейтрон сравнительно небольших энергий пролетает на близком расстоянии от ядра, то он попадает в электрическое поле ядра большей напряженности. Это поле с большей силой отталкивает ядро, не действуя на нейтрон. Если нейтрон окажется возле ядра на расстоянии действия ядерных сил, а протон дейтрона будет на сравнительно большем расстоянии, то нейтрон захватывается ядром, а протон отрывается и продолжает движение не проникая в ядро. Таким образом, ядерная реакция с участием дейтрона происходит не внутри ядра, а за его пределами. Такие реакции называют реакциями взрыва [1, C.15].

При энергиях дейтронов более 100 МэВ основным процессом реакции так же остается реакция взрыва одного с нуклонов. Но кулоновское отталкивание не играет такую роль, как у реакциях с малой энергией дейтронов. Здесь отрыв происходит в результате соударения одного с нуклонов и ядра. В этом случае с одинаковой вероятностью происходит как реакция поглощения протона так и реакция поглощения нейтрона. Реакция отрыва дает возможность получить нейтроны с высокими энергиями. Кроме этого, реакция под действием дейтронов дает возможность исследовать энергетические уровни атома.

2.4 Ядерные реакции под действием г- квантов

Такие реакции могут происходить когда энергия г - квантов больше энергии связи нуклонов в ядре. Они называются фотоядерными реакциями. К ним относят реакции: г (гa, n), (г, p), (г, n, p). Под действием г - фотонов высоких энергий и частиц, энергия которых выше 100 МэВ, ядро может «взорваться», распавшись на большое количество осколков. Эти осколки в камере Вильсона или у фотоэмульсиях образуют картинку, которая напоминает звезду. Такой процесс называется созданием «звезд». Ядерные реакции при высоких энергиях. Ядерные реакции, которые происходят в результате проникновения в ядра частиц с большими энергиями (сотни и более эВ), имеют ряд особенностей [17, C.58].

Это обусловлено тем, что энергия, внесенная частицей, может оказаться больше не только энергии отдельного нуклона, но и энергии связи ядра. Поэтому даже после равномерного распределения энергии между нуклонами может оказаться, что энергия каждого нуклона будет больше энергии связи и он может покинуть ядро. В связи с этим, первым этапом взаимодействия частиц высокой энергии с ядром наблюдают вылет нескольких нуклонов с ядра. После этого ядро может находится в достаточно возбужденном состоянии, что приводит к последующему вылету нуклонов подобно испарению молекул нагретой капли жидкости. При достаточно высоких энергиях бомбардирующих частиц (несколько сотен МэВ) ядро может «взорваться», т.е. произойдет процесс создания «звезды».

2.5 Деление тяжелых ядер

Начало изучения деления тяжелых ядер было положено Э. Ферми в 1934 г. После открытия нейтрона и искусственной радиоактивности он облучил нейтронами почти все элементы периодической системы. Поскольку в результате реакций создавались в - активные ядра, то считалось, что при бомбардировке ядер урана можно получить трансурановые элементы. Было установлено, что в результате проникновения нейтрона в ядро урана последнее делится на два ядерных осколки. Принудительное деление тяжелых ядер под действием нейтронов имеет чрезвычайно важное как теоретическое так и практическое значение.

Такую ядерную реакцию можно записать у виде (n, f). Предполагается, что деление тяжелых ядер должно обладать следующими свойствами:

При делении тяжелого ядра должна выделятся большая энергия. Такой вывод выплывает с того, что удельная энергия связи нуклонов в ядрах конца периодической системы элементов уменьшается. Так, для ядер 92235U она составляет приблизительно 7,6 МэВ, а для ядер с массовым числом 100 - приблизительно 8,5 МэВ. Поскольку средняя удельная энергия связи нуклонов у ядре в данном интервале массовых чисел 8,5 МэВ, то при делении ядра должна выделится энергия М э В М э В Q=(8.5?7.6)?238МэВ?200 МэВ [6, C.113].

Преимущественная часть энергии деления должна освобождаться у форме кинетической энергии осколков деления ядра Qf. Это выходит с того что осколки, которые создаются в результате деления ядра на две части, должны разлететься под действием кулоновских сил отталкивания своих зарядов. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия ядер двух осколков, которые находятся на расстоянии r, определяется как:

Vk=Z1Z2e2 / 4ре0r и Z1 и Z2 - заряды осколков, r=R1+R2, и R1 и R2 - радиусы ядер осколков, которые можно вычислить как с м R=r0A1/3=1.4?10?13A1/3 см.

Если считать, что деление ядра урана 92238U произошло на два одинаковые осколки, то М э В Vk?200 МэВ, т.е. величина такая же как и Q. Осколки, которые создаются при деление тяжелых ядер, должны быть в? - радиоактивными и могут излучать нейтроны. Это выплывает с соотношения между числом нейтронов и протонов в разных стабильных ядрах периодической системы.

Заключение

Исходя из всего вышесказанного следует, что ядерные реакции - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя б-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега б-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения зарядовых и массовых чисел: сумма зарядовых чисел (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых чисел (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например, реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1. по роду участвующих в них частиц - реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, б-частиц); реакции под действием г-квантов;

2. по энергии вызывающих их частиц - реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием г-квантов и заряженных частиц (протоны, б-частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющее большое значение для их изучения;

3. по роду участвующих в них ядер - реакции на легких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4. по характеру происходящих ядерных превращений - реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько г - квантов).

Список использованной литературы:

1. Андрианов А.А., Воропаев А.И., Коровин Ю. Ядерные технологии: история, состояние, перспективы: Учебное пособие. - М.: НИЯУ «МИФИ», 2012. - 180 с.

2. Антошина Л.Г., Павлов С.В., Скипетрова Л.А. Общая физика: Сб. задач: Учеб. пособие / Под ред. Б.А. Струкова. - М.: ИНФРА-М, 2013. - 336 с.

3. Браун А.Г., Левитина И.Г. Атомная и ядерная физика. Элементы квантовой механики. Практикум: Учебное пособие. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2016. - 88 с.

4. Браун А.Г., Левитина И.Г. Элементы квантовой механики и физики атомного ядра: Учебное пособие. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 84 с.

5. Вишнякова Е.А. Физика: учебно-методическое пособие / Под ред. В.А. Макарова, С.С. Чеснокова. - 2-е изд. (эл.). - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 334 с.

6. Врублевская Г.В., Гончаренко И.А., Ильюшонок А.В. Физика. Практикум: Учебное пособие. - М.: НИЦ Инфра-М; Мн.: Нов. знание, 2012. - 286 с.

7. Граков В.Е., Маскевич С.А. Атомная физика. Теоретические основы и лабораторный практикум: Учебное пособие / Под общ. ред. А.П.Клищенко. - М.: ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание, 2011. - 333с.

8. Демидченко В.И., Демидченко И.В. Физика: учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : ИНФРА-М, 2016. - 581 с.

9. Джанколи Д.Д. Физика. В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. - М.: Мир, 2009.

10. Ильюшонок А.В., Астахов П.В., Гончаренко И.А. Физика: Учебное пособие. - М.: НИЦ ИНФРА-М; Мн.: Нов. знание, 2013. - 600 с.

11. Канн К.Б. Курс общей физики: Учебное пособие. - М.: КУРС: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 360 с.

12. Крынецкий И.Б. Общая физика: руководство по лабораторному практикуму: Учебное пособие / Под ред. И.Б. Крынецкого, Б.А. Струкова. - М.: ИНФРА-М, 2008. - 599 с.

13. Кузнецов С.И., Лидер А.М. Физика. Волновая оптика. Квантовая природа излучения. Элементы атомной и ядерной физики: Учеб. пос. - 3-e изд., перераб. и доп. - М.: Вузов. учеб.: НИЦ ИНФРА-М, 2015 - 212 с.

14. Кузнецов С.И. Физика в вузе. Современный учебник по механике: Монография. - М.: Вузовский учебник: НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 264 с.

15. Матвеев А.Н. Атомная физика: Учеб.пособие для студентов вузов. - М.: Высш. шк., 2011. - 439 с.

16. Митин Л.А. Физика атомного ядра: учеб. пособие / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т; сост.: В.Я. Чечуев, С.В. Викулов, Э.Б. Селиванова, Л.А. Митина. - Новосибирск: Золотой колос, 2014. - 129 с.

17. Наумов В.И. Физические основы безопасности ядерных реакторов: Учебное пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: НИЯУ «МИФИ», 2013. - 148 с.

18. Никеров В.А. Физика. Современный курс: Учебник. - М.: Дашков и К, 2012. - 452 с.

Размещено на Allbest.ru

...