физика лекции по оптике

Энергия связи ядра включает в себя энергии: объемную,

поверхностную, симметрии и спаривания.

Физическая природа энергии симметрии пока неясна, однако ее наличие свидетельствует о том, что протон отличается от нейтрона не только электрическим зарядом и массой, но и другими характеристиками.

Энергия спаривания вызвана спариванием одинаковых нуклонов в ядре. Энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре и

Удельная энергия связи ядер составляет w = 6 8 МэВ.

Это вызвано насыщением ядерных сил. Ядра называют магическими, если у них число протонов или нейтронов равно одному из чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Последнее число справедливо только для нейтрона.

Существование магических чисел объясняется оболочечной моделью ядра. Если у ядра одновременно магическими являются число протонов и нейтронов, то такое ядро называют дважды магическим, например, ядра

изотопов: 42 He , 168 O, 4020 Ca, 20882 Pb .

Эти ядра отличаются повышенной устойчивостью (большей удельной энергией связи) и широкой распространенностью в природе.

Ядра атомов с одинаковым А, но различным Z (число протонов) и N = A Z (число нейтронов) называют изобарами. Ядра атомов с одинаковыми Z, но различными N (число нейтронов) называют изотопами.

Ядра атомов с одинаковым N, но различными Z называют изотонами. На рис. 11.2 представлена кривая зависимости удельной энергии связи

ядра от массового числа А для наиболее стабильных изобаров при всех четных значениях А (кривая Вейцзеккера).

энергетически выгоден процесс деления, сопровождающийся также выделением ядерной энергии.

На этих процессах основана вся ядерная энергетика.

11.4. Реакции деления тяжелых ядер

Превращение ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом называют ядерными реакциями.

Ядерные реакции являются основным методом изучения структуры ядер и их свойств. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения:

электрического заряда, барионного заряда, лептонного заряда, энергии, импульса и др.

Например, закон сохранения барионного заряда сводится тому, что суммарное число нуклонов не меняется в результате ядерной реакции.

Недавно установлено, что факт существования современной Вселенной (Метагалактики) связан с нарушением законов симметрии, т. е. существует барионная асимметрия Вселенной по отношению к барионам и антибарионам.

Ядерные реакции характеризуются эффективным сечением реакции

где 0 = R2 , а вероятность ядерной реакции

Выход ядерной реакции W отношение числа актов ядерной реакции N к числу частиц N, упавших на 1 см2 мишени, т. е.

N

W n, (11.9)

N

где n концентрация ядер.

Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования составного ядра.

Например, чтобы нейтрон пролетел сквозь ядро со скоростью 107 мс , не

испытав столкновений, требуется время 10 22 с, которым пользуются для определения длительности ядерных процессов, происходящих в ядре.

При уменьшении скорости нейтрона увеличивается время взаимодействия его с ядром, что повышает вероятность захвата нейтрона ядром, так как эффективное сечение обратно пропорционально скорости частицы ( 1/v).

Если суммарная энергия нейтрона и исходного ядра лежит в области расположения энергетических полос составного ядра, то вероятность образования квазистационарного уровня энергии составного ядра особенно велика. Сечение ядерных реакций при таких энергиях частиц резко возрастает, образуя резонансные максимумы.

Втаких случаях ядерные реакции называют резонансными.

состоянии в течение 10 14 с, затем испускает какую-либо частицу. Известно несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. Возможен также и конкурирующий процесс - радиационный захват, когда после захвата ядром частицы оно переходит в возбужденное состояние, затем, испустив квант, переходит в основное состояние. При этом также может образоваться составное ядро.

Процесс деления радиоактивного урана изучен довольно хорошо. Точно измерено эффективное сечение реакции деления 23592 U тепловыми

нейтронами 582 б (1барн = 10 28 м2 ). Предсказать путь реакции деления радиоактивного урана невозможно. Известно, что ядро урана делится примерно 50 различными способами, причем вероятности их сильно различаются, но не превышают 8% каждый. Один из способов деления может

распад; под стрелкой период полураспада; звездочка вверху справа ядра элемента возбужденное ядро.

могут быть, например, ядра 8736 Kr , 3893Sr , 13754 Xe . На кривой потенциальной

энергии Wр = Wр(r) существует максимум,

характеризующий высоту потенциального барьера, который должен быть преодолен, чтобы произошло деление ядра (рис.

11.4).

Исследования показали, что ядра изотопа 23592 U испытывают деление после захвата любых, в том числе и тепловых, нейтронов. Для деления же изотопа урана 23892 U требуются быстрые нейтроны с энергией >1 МэВ.

Такое различие в поведении ядер 23592 U и 23892 U связывают с эффектом спаривания нуклонов. Возможно и спонтанное деление радиоактивных ядер при отсутствии внешнего возбуждения. В этом случае деление ядра может произойти путем просачивания продуктов деления через потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Другой характерной особенностью ядерных реакций, протекающих через составное ядро при определенных условиях, является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра. Возможны и прямые ядерные реакции, например,

используемая для получения нейтронов.

При делении тяжелых ядер освобождается энергия, равная в среднем 200 МэВ на каждое делящееся ядро, называемая ядерной, или атомной энергией. Получение такой энергии производится в ядерных реакторах.

Естественный уран содержит 99,3% изотопа 23892 U и 0,7% изотопа 23592 U ,

являются сырьевыми материалами, из которых искусственно получают изотоп 23392 U и изотоп 23994 Pu , являющиеся также ядерным топливом и в естественном состоянии в природе не встречающиеся.

Изотоп плутония 23994 Pu получают, например, в реакции

Изотопы ядер 23892 U и 23290Th делятся только быстрыми нейтронами с энергией > 1 МэВ.

Важной величиной, характеризующей делящееся ядро, является среднее число вторичных нейтронов, которое для осуществления цепной ядерной реакции деления атомных ядер должно быть не менее двух. В таких реакциях атомных ядер воспроизводятся нейтроны. Цепная реакция практически осуществляется на обогащенном уране в ядерных реакторах. В

235 U

обогащенном уране содержание изотопа урана 92 , путем разделения

изотопов доведено до 2 5%. Объем, занимаемый делящимся веществом, называют активной зоной реактора.

Для естественного урана коэффициент размножения тепловых нейтронов k =1,32. Для уменьшения скорости быстрых нейтронов до скорости тепловых используют замедлители (графит, воду, бериллий и др.).

Существуют различные виды ядерных реакторов в зависимости от назначения и мощности.

Например, экспериментальные реакторы для получения новых трансурановых элементов и др. В настоящее время в ядерной энергетике используют реакторы размножители (бридерные реакторы), в которых происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося вещества.

В них применяют обогащенный уран с достаточно высоким содержанием до 30% изотопа урана 23592 U . Такие реакторы размножители используют для выработки энергии на атомных электростанциях.

Основным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов. Однако по сравнению с электростанциями на угольном топливе атомные электростанции более экологически чистые.

11.5. Термоядерный синтез легких элементов

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии Q, которая превышает в 106 раз энергию при протекании химических реакций.

Если Q > 0, происходит выделение энергии (экзотермическая реакция). Например,

протекающие при высоких температурах ( 108 К и выше).

Высокие температуры, т. е. большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления кулоновского отталкивания. Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. В природных условиях термоядерные реакции протекают в недрах звезд. Для осуществления термоядерной реакции в земных условиях необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо импульсом лазерного излучения большой мощности и др.

В настоящее время удалось осуществить слияние двух дейтронов:

Термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Осуществить термоядерные реакции в мирных целях пока не удалось,

хотя идут интенсивные работы по управляемому термоядерному синтезу

(УТС), с которым связаны надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в морской воде,

предполагают, его много на Луне. Термоядерные реакции осуществляют в ядерных реакторах системах закрытого типа, например, токамак, стелларатор, в которых удержание высокотемпературной плазмы осуществляется: магнитным полем (магнитные ловушки), или с использованием импульсных лазеров, работы с которыми были начаты в

1964 г, или мюонным катализом (холодный термоядерный синтез) и др.