28.1. Взаимодействие заряженных частиц, нейтронов и γ-квантов со средой

28.2. Излучение Вавилова-Черенкова

28.3. Взаимодействие нейтронов с веществом

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер).

Если не считать очень слабого гравитационного взаимодействия, то известно три вида взаимодействия, в которых могут участвовать частицы: сильное (ядерное), электромагнитное и слабое. Из тех частиц, с которыми мы имели дело до сих пор ( ), в сильном взаимодействии участвуют нейтрон и протон, в электромагнитном - все частицы, кроме ν и , в слабом - все частицы, кроме γ-кванта.

Простейшим примером ядерного взаимодействия является сильное притяжение между нуклонами, находящимися на очень малых (~ см) расстояниях друг от друга внутри атомного ядра. В дальнейшем мы узнаем, что существуют и другие частицы (π и К-мезоны, гипероны, антинуклоны, антигипероны, нестабильные частицы или резонансы), которые также участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Переносчиками ядерного взаимодействия, т е. ядерными квантами, являются π-мезоны.

Ядерное взаимодействие - наиболее сильное взаимодействие в природе, отсюда и его название. Оно может проявляться как в форме процессов непосредственного взаимодействия (рассеяние на ядерных силах, ядерные реакции, т.е. захват одних частиц с образованием других), так и в форме процессов распада (распад резонансов). Сильные процессы непосредствен­ного взаимодействия характеризуются очень большими сечения­ми ( см²), а процессы распада - очень малыми вре­менами ( сек).

Большие сечения для процессов сильного взаимодействия приводят к тому, что сильновзаимодействующие (ядерно-активные) частицы при прохождении через среду эффективно выбывают из коллимированного пучка в результате процессов погло­щения и рассеяния.

Электромагнитное взаимодействие тоже относится к числу интенсивных взаимодействий природы, хотя оно и слабее ядер­ного (что следует из существования стабильных ядер, содержа­щих одноименно заряженные протоны).

Переносчиками этого взаимодействия являются кванты элек­тромагнитного излучения, которые в зависимости от их происхождения и энергии называются фотонами, рентгеновским излучениемили γ-квантами, а также радиоволнами. Кванты электромагнитного излучения возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружаю­щим его электромагнитным полем.

Известно много форм проявления электромагнитного взаимодействия. Для заряженных частиц - кулоновское рассеяние, ионизационное торможение, радиационное торможение, излучение Вавилова - Черенкова; для γ-квантов - фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар, γ-переходы в ядрах, фотоядерные реакции, для нейтронов - поляризация при прохождении через ферромагнетик и др.

Оценка интенсивности электромагнитного взаимодействия по­казывает, что оно в 10²-10³ раз слабее ядерного (в пределах радиуса действия последнего). Соответственно процессы элек­тромагнитного распада протекают по крайней мере в 10²-10³ раз медленнее ядерных процессов и характеризуются периодами сек.

При прохождении заряженных частиц и γ-квантов через вещество наблюдаются большие потери энергии на электромагнитное взаимодействие.

Примером слабого взаимодействия является β-распад. β-распад- это специфическое взаимодействие между нуклонами и окружающим их электронно-нейтринным полем, в процессе которого возникают или поглощаются электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино). Как было показано, β-распад характеризуется чрезвычайно малой константой взаимодействия g, отсюда и его название - «слабое взаимодействие».

Кроме β-распада примерно такой же константой характеризуются и другие процессы слабого взаимодействия: (μ-e)-распад, (π-μ)-распад, распады К-мезонов и гиперонов. Слабые взаимодействия примерно в 10¹³ раз слабее сильных. В соответствии с этим процессы распада для слабых взаимодействий происходят по крайней мере в 10¹³ раз медленнее, чем для сильных, т.е. за время τ не меньше чем сек. Од­нако с процессами распада, происходящими из-за слабого взаи­модействия, надо считаться в тех случаях, когда частицы проходят большой путь до детектора, так как даже при скорости υ≈с частица, имеющая время жизни сек, может пройти, не распавшись, путь порядка 101—102 см.

Кроме процессов распада слабое взаимодействие может про­являться и в процессах непосредственного взаимодействия, на­пример в процессе захвата нейтрино (антинейтрино) нуклоном. Однако сечение таких прямых процессов слабого взаимодейст­вия настолько мало (~10^-43ni² при A_v =1IyA), что при прохождении частиц через вещество с ними, как правило, можно не считаться.

Большое разнообразие перечисленных процессов не позволяет рассматривать их все в одном месте. Ниже будут достаточно подробно описаны главные виды взаимодействия со средой заряженных частиц (ионизационное торможение, упругое рассеяние, радиационное торможение, черенковское излучение) и γ-квантов (фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар), а также будет кратко охарактеризовано взаимодействие со средой нейтронов.

Излучение Вавилова-Черенкова. В 1934г. П.А.Черенков, исследуя люминесценцию растворов ураниловых солей под действием γ-излучения радия, обнаружил новое свечение, которое нельзя было объяснить обычным механизмом возбуждения флуоресценции.

Известно, что флуоресценция возникает в результате переходов атомов или молекул между возбужденными состояниями. Длительность флуоресцентного высвечивания сек, причем на вероятность перехода можно воздействовать, например, добавлением гасящих веществ или, наоборот, хорошей очисткой среды, изменением ее температуры и др. Однако ни одним из этих способов погасить обнаруженное свечение не удавалось.

Дальнейшее изучение нового свечения, которое впоследствии назвали излучением Вавилова-Черенкова, показало следующее.

1.Наблюдается сильное изменение поляризации свечения при наложении магнитного поля. Это свидетельствует о том, что свечение вызывается не γ-квантами, а заряженными частицами. Такими частицами в опыте Черенкова могли быть электроны, возникающие при взаимодействии γ-квантов со средой в результате фотоэффекта и эффекта Комптона.

2.Интенсивность излучения не зависит от заряда среды Z, Поэтому оно не может быть радиационного происхождения.

3.Излучение направлено под определенным углом по отношению к движению заряженной частицы.

Излучение Вавилова-Черенкова было объяснено в 1937г. И.Е.Таммом и И.М.Франком на основе классической электродинамики. Они обратили внимание на то, что утверждение классической электродинамики о невозможности потерь энергии на излучение для заряженной частицы, движущейся равномерно и прямолинейно в вакууме, теряет силу при переходе от вакуума к среде с показателем преломления n>1.

ЛЕКЦИЯ 29. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

29.1. Ядерные реакция и стадии ее протекания

29.2. Поперечное сечение ядерной реакции

29.3. Ядерная реакция, осуществленная Э.Резерфордом

29.4. Деление ядер

Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка см благодаря действию ядерных сил. Наиболее распространенным видом ядерной реакции яв­ляется взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в резуль­тате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

.

Уравнение таких реакций принято записывать сокращенно в виде^

. (29.1)

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 определяется разно­стью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных ядер. Если сумма масс образующихся ядер превос­ходит сумму масс исходных ядер, реакция идет с поглощением энергии и энергия реакции будет отрицательной.

В 1936 г. Н.Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап за­ключается в захвате приблизившейся к ядру X частицы а и в образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром или компаунд-ядром. Энергия, привнесенная частицей а (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее 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 в. Символически такое двустадийное протекание реакции записывается следующим образом:

(29.2)

Если испущенная частица тождественна с захваченной (b ≡ а), процесс называют рассеянием. В случае, когда энергия частицы b равна энергии частицы а ( ), рассеяние является упругим, в противном случае (т.е. при ) - неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с а.

Промежуток времени , который требуется нуклону с энер­гией порядка 1 МэВ (что соответствует скорости нуклона ~ 10⁹ см/с) для того, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (~ см), называется ядерным временем (или ядерным временем пролета). Это время по порядку величины равно:

~ . (29.3)

Среднее время жизни составного ядра (равное с) на много порядков превосходит ядерное время пролета . Сле­довательно, распад составного ядра (т. е. испускание им час­тицы b) представляет собой процесс, не зависящий от первого этапа реакции, заключающегося в захвате частицы а (составное ядро как бы «забывает» способ своего образования).

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых ядерных взаимодействий. Типичной реакцией прямого взаимодействия является реакция срыва, наблюдающаяся при нецентральных соударениях дейтрона с ядром. При таких соударениях один из нуклонов дейтрона может попасть в зону действия ядерных сил и будет захвачен ядром, в то время как другой нуклон останется вне зоны действия ядерных сил и пролетит мимо ядра. Символически эту реакцию можно представить в виде (d, p) или (d,n).

Пусть на мишень падает перпендикулярно к ее поверхности поток частиц N. Тогда количество частиц, претерпевающих в единицу времени столкновения с ядрами мишени, ΔN, определяется формулой

ΔN = NP = N σ n δ. (29.4)

Следовательно, определив относительное количество частиц, претерпевших столкновения, ΔN/N, можно было бы вычислить поперечное сечение ядра по формуле:

. (29.5)

В действительности ни ядра мишени, ни падающие на нее частицы не являются твердыми шариками. Однако по аналогии с моделью сталкивающихся шариков для характеристики вероятности взаимодействия используют величину σ, определяе­мую формулой (29.5), в которой под ΔN подразумевают не число столкнувшихся, а число провзаимодействовавших с ядрами мишени частиц. Эта величина и называется эффективным сечением для данной реакции (или процесса).

В случае толстой мишени поток частиц будет по мере прохождения через нее постепенно ослабевать. Разбив мишень на тонкие слои, напишем соотношение (29.4) для слоя толщины dx, находящегося на глубине х от поверхности:

dN = - N(х) σn dx,

где N(х) - поток частиц на глубине х. Мы написали знак минус, чтобы dN можно было рассматривать как приращение (а не ослабление) потока на пути dx. Интегрирование этого уравнения приводит к соотношению:

,

в котором - первичный поток, а N(δ) - поток на глубине δ. Таким образом, измеряя ослабление потока частиц при про-хождении их через мишень толщины δ, можно определить сечение взаимодействия по формуле:

. (29.6)

Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших название б а р н:

1 барн = . (29.7)

Впервые ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. При облучении азота α-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, некоторые ядра азота превращались в ядра кислорода, испуская при этом протон. Уравнение этой реакции имеет вид

.

Резерфорд воспользовался для расщепления атомного ядра природными снарядами - α-частицами. Первая ядерная реак­ция, вызванная искусственно ускоренными частицами, была осуществлена Кокрофтом и Уолтоном в 1932 г. С помощью так называемого умножителя напряжения они ускоряли протоны до энергии порядка 0,8 МэВ и наблюдали реакцию

.

В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнару­жили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы - барий и лантан. Объяснение этого явления было дано немецкими учеными О.Фришем и Лизой Мейтнер. Они высказали предположение, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления.

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. Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов. Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах. Поэтому образовавшиеся осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгно­венно (за время, меньшее ~ с). Часть (около 0,75%) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 выделившихся нейтронов.

Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не устраняет полностью перегрузку осколков деления нейтронами. Поэтому осколки оказываются в большинстве радиоактивными и претерпевают цепочку - превращений, сопровождаемых испусканием γ-лучей. Поясним сказанное примером. Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим образом:

.

Осколки деления - цезий и рубидий - претерпевают превра­щения:

,

.

Конечные продукты - церий ¹⁴⁰Се и цирконий ⁹⁴Zr - являются стабильными.

Кроме урана, при облучении нейтронами делятся торий ( ) и протактиний ( ), а также трансурановый элемент, плутоний ( ). Нейтроны сверхвысоких энергий (порядка нескольких сотен МэВ) вызывают деление и более легких ядер. Ядра ²³⁵U и ²³⁹Рu делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Тепловыми нейтронами делятся также ²³³U и ²³⁰Th, но эти изотопы в природе не встречаются, они получаются искусственным путем.

Ядра ²³⁸U делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими ~ 1 МэВ). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами ²³⁸U без последующего их деления. В результате образуется ядро ²³⁹U, энергия возбуждения которого выделяется в виде γ-фотона. Поэтому такой процесс называется радиационным захватом (реакция (n,γ)). Эффективное сечение этого процесса резко возрастает при энергии нейтронов, равной примерно 7 эВ, достигая 23000 барн. Сечение захвата ядром ²³⁸U тепловых нейтронов составляет меньше 3 барн.

Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро ²³⁹U нестабильно (период полураспада Т равен 23 мин). Испуская электрон, антинейтрино и γ-фотон, оно превращается в ядро трансуранового элемента нептуния ²³⁹Np. Нептуний также претерпевает -распад (Т = 2,3 дня), превращаясь в плутоний ²³⁹Рu. Эта цепочка превращений выглядит следующим образом:

.

Плутоний α - радиоактивен, однако его период полураспада так велик (24400 лет), что его можно считать практически стабильным.

Радиационный захват нейтронов ядром тория ²³²Th приводит к образованию делящегося изотопа урана ²³³U, отсутствующего в природном уране:

.

Уран-233 α - радиоактивен (Т— 162000 лет).

Испускание при делении ядер ²³⁵U, ²³⁹Pu и ²³³U нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать деление z ядер, в результате будет испущено z² новых нейтронов, которые вызовут деление z² ядер и т.д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер ²³⁵U, имеют в среднем энергию ~2 МэВ, что соответствует скорости ~2·10⁹ см/с. Поэтому время, протекающее между испусканием нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро.

Природный уран содержит 99,27 % изотопа ²³⁸U, 0,72 % ²³⁵U и около 0,01 % ²³⁴U. Следовательно, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро ²³⁵U приходится 140 ядер ²³⁸U, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает.

Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заключается в выделении из природного урана делящегося изотопа ²³⁵U. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу. Однако она была решена несколькими методами.

В куске чистого ²³⁵U (или ²³⁹Ри) каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~2,5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения, то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого ²³⁵U или ²³⁹Ри. Масса каждого куска меньше критической, вследствие чего цепная реакция не возникает. В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество нейтронов, рожденных космическими лучами. Поэтому, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Это нужно делать очень быстро, и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать заметная доля делящегося вещества. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую. Все устройство заключено в массивную оболочку 3 из металла большой плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число его ядер не выделит свою энергию при делении. Цепная реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагировать только часть ядерного заряда.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах. В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом ²³⁵U) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами ²³⁸U (который становится особенно интенсивным при энергии нейтронов, равной примерно 7 эВ), сранительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем, т.е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется в случае, если обе частицы имеют одинаковую массу. С

этой точки зрения идеальным замедлителем должно было бы быть вещество, содержащее обычный водород, например вода (массы протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако такие вещества оказались непригодными в качестве замедлителя, потому что протоны поглощают нейтроны, вступая с ними в реакцию

р (п, γ) d.

Реакторы с замедлителем работают на медленных (тепловых) нейтронах. Использовав горючее, обогащенное делящимся изотопом (²³⁵U или ²³⁹Рu), можно построить реактор, действующий на быстрых нейтронах. Часть нейтронов в таких реакторах используется для превращения ²³⁸U в ²³⁹Р или ²³²Th в ²³³U, причем количество образующихся ядер, способных делиться тепловыми нейтронами, может превосходить количество делящихся ядер, израсходованных на поддержание работы реактора. Следовательно, воспроизводится большее количество ядерного горючего, чем выгорает в реакторе. Поэтому такие ядерные реакторы называют реакторами-размножителями.

ЛЕКЦИЯ

30 РЕАКЦИИ СИНТЕЗА АТОМНЫХ ЯДЕР ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ