Иродов И.Е. Общая физика (5 т.) / Иродов. т5 Квантовая физика Основные законы. 2014, 256с

выше) ядра могут «взрываться», распадаясь на множество мелких осколков. При регистрации такие взрывы оставляют след в виде многолучевых звезд.

Энергия реакции. Принято говорить, что ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Это надо понимать так. Пусть Е0 и E0 — суммы энергий покоя исходных частиц и продуктов реакции. Полная энергия в реакции сохраняется, т. е.

где K и K — суммарные кинетические энергии исходных частиц и продуктов реакции. Из этого равенства следует, что убыль суммарной энергии покоя (E0 – E0 ) равна приращению суммарной кинетической энергии (K – K) и наоборот. Эти величины и называют энергией реакции Q:

Реакции с Q > 0 называют экзоэнергетическими (с выделением энергии, кинетической), реакции же с Q < 0 — эндоэнергетическими.

Часто ядерную реакцию с учетом Q записывают так:

Для расчетов формулу (8.37) удобнее представить в другом виде — через массы или, еще лучше, — через дефекты масс

Пример. Найдем кинетическую энергию -частицы, образующейся в реакции

10B (n, ) 7Li

при взаимодействии весьма медленных нейтронов с покоящимися ядрами нуклида 10B, если энергия реакции Q 2,8 МэВ.

Пренебрегая по условию энергией и импульсом нейтрона, запишем

Q K KLi, p pLi .

Из второго равенства следует, что m K mLiKLi. Тогда

Энергетическая схема ядерной реакции. Подавляющее большинство экспериментальных исследований выполняется в лабораторной системе отсчета (Л-системе), где мишень покоится. В теоретических же расчетах удобнее система центра масс или система центра инерции (Ц-система), в которой суммарный импульс сталкивающихся (и образующихся) частиц равен нулю. Результаты, полученные в Ц-системе, при необходимости можно пересчитать в Л-систему.

Отметим попутно, что в экспериментальных исследованиях под энергией частицы всегда понимают ее кинетическую энергию K; для безмассовых частиц K совпадает с энергией частицы. Этому будем следовать и мы в дальнейшем (для краткости).

Приведем без вывода основные соотношения, определяющие

где — приведенная масса системы, vотн — относительная скорость частиц |vm – vM|. Заметим, что эта скорость одинакова в Л- и Ц-системах.

Чаще всего мы будем иметь дело с ядерной реакцией

M(m,m ) M Q,

где m — масса налетающей частицы, М —~масса покоящегося ядра мишени. В этом случае связь между K и энергией Km налетающей частицы определяется согласно (8.40) как

ром может служить реакция

p 7Li & 17,3 МэВ,

аобратная реакция

& p 7Li – 17,3 МэВ.

Во-вторых, экзоэнергетическая реакция может идти при сколь угодно малой энергии сталкивающихся частиц (если нет ка- ких-либо запретов на ту или иную реакцию). Эндоэнергетиче-

ская же реакция может идти только тогда, когда суммарная

~

энергия K сталкивающихся частиц (в Ц-системе) превосходит некоторое минимальное значение, которое называют порогом реакции.

Порог реакции. Существенно отметить, что порог реакции, т. е. минимальная энергия Kпор налетающей частицы измеряется всегда в Л-системе, где ядра мишени покоятся.

Найдем выражение для Kпор налетающей частицы. Этот во-

~

Теперь перейдем в Л-систему. Так как в Ц-системе при Kмин образовавшиеся частицы m и M покоятся, то это значит, что в

Л-системе при соответствующем значении пороговой энергии Kпор налетающей частицы обе частицы, m и M , после образования будут двигаться как единое целое, причем с суммарным импульсом, равным импульсу p налетающей частицы, и кинетической энергией p2/2(m M). Поэтому

Kпор |Q| p2/2(m M).

А так как Kпор p2/2m, то, исключив p2 из этих двух уравнений, получим

Это и есть пороговая кинетическая энергия налетающей частицы m, начиная с которой данная эндоэнергетическая реакция становится энергетически возможной.

В ядерной физике обычно можно ограничиться нерелятивистской формулой (8.45). Но в процессах с участием релятивистских частиц следует исходить из инвариантности выражения (П.3):

где Е — полная энергия системы.

Например, в случае расщепления атомного ядра массы m под действием Λ-кванта при пороговом значении его энергиипор мы имеем

( пор mc2)2 – пор (m1 m2 …)2c4.

Здесь левая часть равенства записана в Л-системе, а правая — в Ц-системе, где образовавшиеся частицы покоятся (при пор). Из этого равенства получим

пор (m1 m2 ...)2 m2 c 2

2m

(m1 m2 ... m)(m1 m2 ... m) c 2 . (8.47) 2m

Из последних двух скобок в числителе первая представляет собой энергию эндоэнергетической реакции |Q| , а вторая равна |Q| 2mc2. В результате (8.47) примет вид

Это и есть выражение для пороговой энергии Λ-кванта в случае эндоэнергетической реакции, энергия Q которой известна.

Уровни возбуждения ядра. Приведем в заключение энергетическую схему ядерной реакции, проходящей через составное ядро M*:

m M & M* & m M Q.

Эта схема показана на рис. 8.13. Здесь m M и m M — сум-

мы масс частиц до и после реакции, ~ и ~ — суммарные энер-

K K

ядра, Q — энергия реакции. На рисунке показаны также уровни составного ядра, они обозначены цифрами 1, 2, 3, ...

Варьируя энергию налетающей

~

частицы, т. е. K в Ц-системе, можно обнаружить, что выход w ядер-

ной реакции вблизи каждого уровня плавно меняется, проходя че-

рез максимум (рис. 8.14). Из этого

Рис. 8.13

следует, что сами энергетические уровни «размыты». Пусть ширина

кривой w(E) на половине «высоты» рав-

на Μ. Эта величина представляет собой неопределенность энергии соответствующего уровня. Из соотношения неопреде-

ленностей для энергии и времени

Рис. 8.14

Μ · ) Z h

можно оценить время жизни ) данного конкретного уровня, т. е. время пребывания составного ядра в данном возбужденном состоянии. Разным уровням соответствуют, вообще говоря, разные значения Μ и ).

Эту главу закончим рассмотрением примера на нахождение энергетических уровней ядра.

Пример. При облучении мишени из углерода дейтронами возбуждается ядерная реакция

13C (d,n) 14N,

выход w которой имеет максимумы

при следующих значениях энергии Kd дейтронов: 0,60, 0,90, 1,55 и 1,80 МэВ. Найдем энергии E* соответствующих

уровней составного ядра, через которые идет данная реакция, если энергия связи дейтрона в со-

216 Глава 8

ставном ядре 15N равна Eсв 16,16 МэВ. Из рис. 8.15 видно, что

При указанных значениях Kd получим соответственно 16,68, 16,94, 17,50 и 17,72 МэВ.

Задачи

8.1.Энергия связи ядра. Найти энергию связи ядра, которое имеет одинаковое число протонов и нейтронов, а радиус в 1,5 раза меньший радиуса ядра 27Al.

Р е ш е н и е. Сначала найдем массовое число A искомого ядра. Согласно формуле (8.3) A (r/rAl)3AAl 27/ 3 8. Это отвечает ядру 8Be. Его энергия связи в соответствии с (8.8) и табл. 8.1 равна

Eсв 4( H n) – Be 4(0,007825 0,008665) – 0,005308

0,060652 а.е.м. 56,5 МэВ.

8.2.Закон радиоактивного распада. Радионуклид X образуется с постоянной скоростью так, что ежесекундно возникает q радиоактивных ядер. Постоянная распада этих ядер равна . Считая, что

вмомент t 0 число данных ядер N(0) 0, найти закон накопления их со временем, т. е. N(t).

Р е ш е н и е. За промежуток времени dt приращение dN числа ядер нуклида X определяется уравнением

dN qdt – Ndt (q – N) dt.

Приведем это выражение к виду, удобному для интегрирования:

dN

dt.

q N

Интегрирование последнего уравнения по N и t с учетом начального условия N(0) = 0 дает

Потенцируя, получим в результате

N(t) q (1 e t ).

Видно, что с течением времени число ядер X асимптотически приближается к Nm q/ .

8.3.При радиоактивном распаде ядер нуклида Х1 образуется радионуклид X2. Их постоянные распада равны 1 и 2. Полагая, что в момент t 0 препарат содержал только нуклид X1 в количестве N10, определить:

а) количество ядер нуклида Х2 как функцию времени, N2(t);

б) момент tm, когда количество ядер нуклида X2 достигает максимума.

Р е ш е н и е. а) В данном случае изменения во времени количеств

N1 и N2 ядер обоих радионуклидов будут описываться следующими уравнениями:

Первое из этих уравнений совпадает с (8.13) и имеет решение (8.14). т. е. N1 N10e 1t. Второе же уравнение описывает приращение в единицу времени количества ядер радионуклида X2. Оно происходит за счет распада ядер X1 в количестве 1N1 и убыли дочерних ядер из-за их распада (– 2N2). Перепишем второе уравнение из (1) в виде

Решение этого неоднородного уравнения ищем как сумму решения однородного уравнения и частного решения неоднородного:

Из начального условия N2(0) 0 находим 0 А В, поэтому (3) можно переписать в виде

направлению вылета электрона испущено нейтрино, если электрон с энергией Ke 0,60 МэВ вылетел под прямым углом к направлению движения ядра отдачи?

Р е ш е н и е. Сначала изобразим треугольник импульсов (рис. 8.17), где pд — импульс отдачи дочернего ядра. Из рисунка видно, что

В последнем равенстве кинетической энергией ядра отдачи можно пренебречь. В самом деле, из соотношения K p2/2m, принимая во внимание, что импульсы всех трех частиц по порядку величины одинаковы, а масса ядра отдачи значительно превосходит массу электрона, следует: Kя I Ke.

Таким образом,

Отсюда 70! и 110!.

8.6. Эффективное сечение реакции. Какова должна быть толщина кадмиевой пластинки, чтобы поток тепловых нейтронов при прохождении через нее уменьшался в 100 раз? Сечение поглощения нейтрона яд-

ром атома кадмия #a 2,54 кб, плотность кадмия ( 8,65 г/см3.

Р е ш е н и е. Выделим мысленно бесконечно тонкий плоский слой кадмия, перпендикулярный потоку нейтронов (рис. 8.18). Пусть на 1 см2

где n0 — количество ядер в единице объема. Разделив переменные N и x в формуле (1), проинтегрируем полученное выражение.