Основы физики ядра и элементарных частиц (110

Вывод: все α-частицы данного радиоактивного распада имеют одинаковую энергию, то есть их спектр моноэнергетичен. Энергии α-частиц во всех α-распадах различных изотопов заключены в пределах 4МэВ÷9МэВ. Соответственно периоды полураспада α-радиоактивных элементов заключены в пределах 3 10−7 с ÷5 1015 лет.

В радиоактивных распадах элементов, как правило, первым идет α-распад, за ним могут следовать β- и γ-распады.

Теория β-распада

Электроны, вылетающие в результате β-распада, имеют большую

проникающую способность, чем α -частицы. Пример β-распада (рис. 16):

б) распад протона внутри ядра β+ : 1p→1n++0e +ν ;

1 0 1 e

в) K -захват или захват электрона ядром: 11 p +0−1 e →10 n + νe .

21

Если родительское ядро покоилось, то после распада появляются три частицы, разлетающиеся в разные стороны (рис. 16). Для них выполняется закон сохранения импульса:

Угол Θ может изменяться в пределах 0 ÷ π, поэтому электрон может иметь различный импульс и энергию. Другими словами, в отличие от моноэнергетического спектра α -частиц, спектр β-

электроны имели различные кинетические энергии, и заставило Аллена в 1942 году выдвинуть гипотезу: вместе с электроном вылетает ненаблюдаемая частица, которая уносит импульс. Она была названа нейтрино. В 1956 году нейтрино были обнаружены детекторами вблизи ядерных реакторов.

γ-распад

Это фактически не распад, а переход возбужденного ядра в невозбужденное, сопровождающийся жестким γ-излучением (рис. 18).

Происходит по схеме:

22

Радиоактивность в жизни человека

1. Радиоактивные элементы используются в датировке времен событий (археология, палеонтология и т.д.). Если событию более 1 млн. лет, то датировка производится по урану. В образцах урана определяется процентное содержание 23892 U (А %) и определяется процентный состав

206 Pb (В %). Далее проделываются следующие расчеты:

радиоактивен). Образуется в растениях 146 C и 126 C ( B0 ). После гибели растения не происходит синтез, 14C распадается (А), а содержание 126 C

23

остается постоянным. Этот метод гораздо более точен, но пригоден только для событий, удаленных не более чем на t < T14C = 5570лет.

2. Метод меченых атомов. Радиоактивные атомы 2659 Fe , 1532 P вводятся в

небольшом количестве в среду (в медицине – в таблетки). Следя за их перемещением, ученые могут контролировать усвоение лекарств животными или растениями удобрений. Лечение злокачественных опухолей может осуществляться с помощью изотопа 2760 Со (кобальтовая пушка). В сельском хозяйстве радиоактивные препараты используются также для получения мутантов животных, растений.

3. Вредное влияние радиации происходит в основном из-за ионизации атомов в организме. В результате происходит инициирование новых нежелательных клеточных реакций, нарушение пропускающих способностей мембранной оболочки клетки. Энергетическая доза облучения измеряется в рентгенах, мощностная доза измеряется в рентген/час. Максимальная разовая доза, допустимая для человека, – 300 рентген.

7. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. РЕАКЦИИ ДЕЛЕНИЯ

Ядерная реакция − это процесс превращения одних ядер в другие при воздействии третьих ядер или частиц. Впервые ядерные реакции были проведены Резерфордом. Пример такой реакции:

Эффективное сечение ядерных реакций – это характеристика вероятности данного превращения за 1 с при потоке частиц 1 частсм2 с.

24

Выход ядерных реакций − отношение числа положительных исходов (то есть числа ядерных реакций) к числу упавших частиц.

Энергетический выход ядерных реакций рассчитывается по формуле:

Ядерные реакции классифицируются так:

-реакции деления;

-реакции синтеза;

-множественное рождение частиц.

Радиоактивность можно считать особым видом ядерных реакций. В ядерных реакциях выполняются законы сохранения:

-закон сохранения электрического заряда;

-закон сохранения энергии;

-закон сохранения импульса;

-закон сохранения момента импульса;

-закон сохранения барионного числа;

-закон сохранения лептонного числа.

К барионам относятся, в частности, протон и нейтрон. Им приписывается барионное число (барионный заряд), равное +1. Антибарионам соотвествует барионный заряд – 1. У частиц, не являющихся барионами, это число равно нулю. К лептонам относятся электрон, µ-мезон,

τ-лептон и три вида нейтрино. Аналогично всем им приписывается лептонное число +1.

Существует два механизма ядерных реакций:

1) через составное ядро (компаунд-ядро) A + a → c* → b + B ,

t реакции ~ 10−16 −10−12 c ;

25

2) прямые ядерные реакции, характерное время 10−21 c .

Реакции деления ядер, цепная реакция

Впервые в 1938 – 39 гг. Ган и Штрассман, а также Фриш и Мейтнер пронаблюдали вынужденное деление ядер урана под влиянием нейтронов. В 1940 году Флеров и Петржак открыли спонтанное деление. При спонтанном делении в 1 г урана делится всего примерно 25 ядер. Впоследствии была установлена возможность деления и других тяжелых ядер.

Реакция деления урана имеет особую практическую значимость, так как уран встречается в природе. Природный уран состоит примерно на 99,29 % из изотопа 23892 U и на 0,71% из 23592 U . Оба изотопа могут делиться. При этом

23592 U делится как под влиянием быстрых нейтронов (энергия ~ 1 МэВ), так и под влиянием тепловых нейтронов (энергия ~ 0,025 эВ). Причем под влиянием тепловых нейтронов выход реакции деления существенно больше.

23892 U делится только под влиянием быстрых нейтронов. Так как выход ядерных реакций под влиянием быстрых нейтронов мал и доля их невелика, то в практических приложениях наиболее распространена реакция деления

23592 U . Этот изотоп делится при захвате нейтрона, например, по схеме:

в среднем 2,5 нейтрона). Если все выделившиеся нейтроны вновь будут

26

участвовать в делении ядер, то разовьется цепная реакция, которая может привести к ядерному взрыву.

В ядерных реакциях деления выделяется очень большая энергия. Например, когда делятся все ядра 1 г урана, выделяется энергия, равная энергии, выделяющейся при сжигании примерно 3 тонн угля. Качественная теория деления может быть построена с использованием капельной модели ядра. Ядро считается положительно заряженной каплей жидкости. Тогда на нее действуют две конкурирующие силы: поверхностного натяжения и кулоновского отталкивания. Эти силы создают соответствующие давления (рис. 20). Устойчивое равновесие ядра в виде сферы нарушится, когда кулоновское давление превысит лапласовское. После этого ядро будет деформироваться в эллипсоид (рис. 21) и делиться. Запишем условие деления в виде:

27

Выражение, стоящее в скобках, есть некоторая постоянная для всех ядер.

деление, когда ядро подвергается возмущению, энергия которого больше энергии активации Wa (рис. 22). Таким возмущением может быть нейтрон.

Вынужденное деление становится энергетически выгодным, когда параметр деления становится равным 18. Расчеты подтверждаются опытом, но с

49, на это влияют неклассические факторы, в частности наличие уровней энергии ядра, наличие спина у частиц, взаимоотношение между спинами и т.д.

Энергия активации 235U такова, что он может делиться даже под влиянием медленных тепловых нейтронов с энергией порядка 0,025 эВ. Тогда как 238U может делиться только под влиянием быстрых нейтронов с энергией более 1 МэВ. При этом акты деления совершаются таким образом, что в одном акте выделяется в среднем 2,5 нейтрона, так что возможно явление цепной реакции.

28

деления, в результате в естественном образце самоподдерживающаяся реакция возникнуть не может. Для поддержания реакции уран очищают от шлаков и создают критическую массу. Общее число нейтронов

реакция (рис. 23). Критическая масса урана 235 примерно 50 кг, что предполагает шар диаметром примерно 17 см. Для характеристики реакции деления вводят понятие коэффициента размножения нейтронов:

также зависит от соотношения в делящемся веществе ядер 235U и 238U .

В природном очищенном уране цепная реакция деления невозможна, так как 238U имеет резонансное поглощение нейтронов без деления. Для того чтобы сделать управляемую цепную реакцию возможной, нужно сделать, по крайней мере, следующее:

1.Обогатить смесь 235U .

2.Сделать массу вещества больше критической.

3.В систему, где есть очищенная и обогащенная смесь, внести специальный замедлитель.

Большинство современных АЭС представляют собой реакторы на

тепловых нейтронах и используют смесь 238U , 235U с замедлителем (графит, тяжелая вода).

8.ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Втаких странах, как Литва, Франция, Бельгия, большая часть электроэнергии вырабатывается на АЭС (порядка 60 – 80 %). В России –

29

порядка 12 % (данные МАГАТЭ на 1993 г.). АЭС позволяют сэкономить около 7 1011 кг топлива в год, то есть в атмосферу не поступит 2 1011 кг

CO2 , 1011 кг других вредных веществ.

Кроме Белоярской АЭС все АЭС России работают на тепловых нейтронах. Принципиальная схема ядерного реактора на медленных (тепловых) нейтронах показана на рис. 24. Цифрами на нем обозначены:

1 – активная зона;

2 – теплообменник;

3 – бак с водой (бойлер);

4 – турбина;

5 – электрогенератор.

Активная зона содержит набор тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов; ТВЭЛ представляет собой набор циркониевых трубок с таблетками урановой смеси внутри), теплоноситель, замедлитель, управляющие стержни. По типу теплоносителя и замедлителя ядерные реакторы классифицируют:

−1 – водоводяные;

−2 – газографитовые;

−3 – водографитовые.

Примерно на 150 ядер 238U приходится всего одно ядро 235U , поэтому большие надежды возлагаются на реакторы на быстрых нейтронах

(реакторы-бридеры), в которых делится именно 238U . Ниже приводится схема процессов, происходящих с ядром урана после попадания в него нейтрона:

2,3 дня

30