2413

Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м). Жидкости гораздо плотнее газов поэтому их эффективный объём на 2–3 порядка больше чем у газов. Поэтому пузырьковые камеры применяют для исследования длинных цепей рождений и распадов элементарных частиц высоких энергий.

Ядерные фотоэмульсии стали применять в 1927 году как простейшие трековые детекторы заряженных частиц.

Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Так как эмульсия является средой более плотной, чем газ или жидкость, то длина трека в эмульсии более короткая.

Следует отметить, что трек длиной 0,05 см в эмульсии эквивалентен треку в 1 м в камере Вильсона. Поэтому фотоэмульсии применяются для изучения реакций, вызываемых частицами в ускорителях сверхвысоких энергий и в космических лучах.

Кроме этого, в практике исследований высоко – энергетических частиц используются так называемые стопы. Стопы, составленные из большого числа маркированных фотоэмульсионных пластинок, размещаются на пути частиц и после их проявления промеряются под микроскопом.

Ядерные реакции и их классификация

Ядерные реакции – это превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с -квантами) или друг с другом.

Такие превращения оформляются символическими записями

X a Y b ,

где X, Y – соответственно исходные и конечные ядра;

а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

Ядерные реакции протекают по законам сохранения зарядовых и массовых чисел:

1. Сумма зарядовых чисел ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядовых конечных продуктов (ядер и частиц) реакции:

Nи Zисхi Nk Zконi . iи ik

2. Сумма массовых чисел ядер и частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядовых (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции:

Nи Аисхi Nk Аконi . iи ik

261

Первая в истории физики ядерная реакция по рассеянию – частиц на ядрах азота была осуществлена Резерфордом в 1919 году. Эта реакция строго подчиняется законам сохранения зарядовых и массовых чисел и

поэтому записывается в виде 147 N 42 He 178 O 11 p .

При рассеянии микрочастиц могут наблюдаться:

тождественностьиспущеннойчастицы сзахваченной частицей b a ;

упругое рассеяние при равенстве энергии частиц Ea Eb ;

неупругое рассеяние при Eb Ea .

Экзотермическая реакция сопровождается выделением энергии. Эндотермическая реакция сопровождается поглощением энергии.

Ядерные реакции классифицируют:

1)по роду участвующих в них частиц (реакции под действием нейтро-

нов; заряженных частиц; -квантов);

2)по энергии вызывающих их частиц (реакции при малых, средних и высоких энергиях);

3)по роду участвующих в них ядер (реакции на легких (А < 50); средних

(50 < А <100) и тяжелых (А >100) ядрах);

4)по характеру происходящих ядерных превращений (реакции с испусканиемнейтронов, заряженныхчастиц; реакциизахвата(вслучаеэтих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в

основное состояние, излучая один или несколько -квантов).

Позитрон. β -распад

Позитрон 10e – это первая элементарная частица в микромире, причисленная к особому классу «Античастицы».

Qe e 1,6 10 19 Кл.

Существование этой античастицы была предсказано Дираком из решения релятивистского волнового уравнения для электрона. Решение этого уравнения позволило объяснить все свойства электрона и получить данные для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения по знаку.

Для объяснения этого факта Дирак выдвинул гипотезу, что у электрона есть античастица – позитрон. Впоследствии позитрон был обнаружен в составе космического излучения. Кроме этого, существование позитронов также было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле.

262

Компаунд-ядро – это модель, которая используется для описания ядерных реакций

Согласно Бору, ядерные реакции протекают в две стадии по схеме:

X a C Y b .

Первая стадия связана с захватом ядром частицы а и образованием промежуточного ядра С, называемого составным, или компаунд – ядром. Вторая стадия реакции представляет собой распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

-распады ядер экспериментально изучали Фредерик и Ирен Жолио-

Кюри. Бомбардировка α – частицами ядер бора В, ядер алюминия Аl и ядер магнияMg, позволила учёнымполучитьискусственно-радиоактивныеядра.

Эти ядра участвуют в -распадах (позитронных распадах) по следующим схемам:

105 B 42 He 147 N 137 N 01n , 137 N 136 C 10e 00ve ;

Правило смещения для -распадов подтверждается ядерной реакцией

ZA X Z A1Y 10e .

Энергетический спектр позитронов -спектр, также как и -спектр непрерывен.

Процесс -распада протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

11 p 01n 10e 00ve .

гдевыброснейтриновытекаетизтехжесоображений, чтоидля -распада.

Следует отметить, что масса покоя протона меньше массы покоя нейтрона mp mn и по этой причине такая реакция для свободного протона

наблюдаться не может. Однако, для протонов находящихся в ядре поле ядерных сил действует и благодаря ядерному взаимодействию происходит преобразование протона в нейтрон и вылет позитрона.

Электронно-позитронные пары, их аннигиляция. Электронный захват

Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимо-

действии -квантов большой энергии с веществом.

Энергия -квантов E должна превосходить суммарную энергию покоя для обеих микрочастиц Eе me c2 me с2 2me c2 = 1,02 Мэв:

E Ee = 1,02 Мэв.

263

Процесс образования электронно-позитронных пар протекает по схеме

Электронно-позитронные пары были обнаружены в камере Вильсона, помещеннойвмагнитноеполепоотклонениюэлектронов 10e ипозитронов

10e в противоположные стороны.

Чтобы схема реакции (1) выполнялась, помимо соблюдения законов сохранения энергии и импульса, необходимо, чтобы фотон обладал целым спином, равным0 или1. Этосвязаностем, чтоспиныэлектронаипозитрона равны 1/2.

Эксперименты и теоретические выкладки показали, что спин фотона действительно равен 1 (в единицах ).

Аннигиляция – это процесс при котором происходит превращение электронно-позитронной пары (при столкновении позитрона с электроном)

в два -кванта. В этом процессе энергия пары частиц переходит в энергию фотонов

10e 10e 2 .

Возникновение в этом процессе двух ϒ-квантов обусловлено фундаментальными законами сохранения импульса и энергии.

Электронный захват (е-захват) – это явление, при котором атомное ядро устраняет электроны с какой-либо внутренней оболочки атома.

Оболочки атома, именуемые символами К, L, М и т.д., отличаются друг от друга орбитальными квантовыми числами l = 0, 1, 2, и т.д.

Это явление сопровождается испусканием микрочастицы нейтрино 00v :

11 p 10e 01n 00v .

Возникновение нейтрино 00v обусловлено фундаментальным законом

сохраненияспинаядеричастиц(внутренниймеханическиймоментимпульса ядер и частиц).

Захват электрона ядром ZA X описывает схема:

ZA X 10e Z A1Y 00ve .

е-захват, часто называемый третьим видом β-распада, существенно отличается от -распадов. При -распадах ядер возникают две частицы (электрон 10e и нейтрино 00v ) и энергия распада перераспределяется между

ними, а при е-захвате возникает одна микрочастица нейтрино 00v и вся

энергия распада уносится этой частицей.

Явление е-захвата обнаруживается по сопровождающему его характеристическому рентгеновскому излучению. Такое излучение возникает вследствии заполнения вакансий (энергетические состояния) в электронной

264

оболочке атома. Такие вакансии образованы за счёт вылета электронов из атомов.

Ядерные реакции, протекающие под действием нейтронов, имеют важное прикладное значение.

Течение таких реакций и конечные их продукты в виде ядер атомов и частиц зависят от скорости 01n (или энергии E01n ) нейтронов.

По этой причине нейтроны делят на категории «Медленные нейтроны»

и«Быстрые нейтроны».

Ккатегории медленных нейтронов отнесены

ультрахолодные ( E01n 10 7 эВ), очень холодные ( E01n =10 7 10 4 эВ), холодные ( E01n =10 4 10 3 эВ), тепловые ( E01n =10 3 0,5 эВ)

и резонансные ( E01n =0,5 104 эВ) нейтроны.

К категории быстрых нейтроны отнесены

быстрые ( E01n =104 108 эВ), высокоэнергетичные ( E01n =108 1010 эВ)

и релятивистские ( E01n 1010 эВ) нейтроны.

Замедление (уменьшение скорости) нейтронов происходит при пропускании их через вещество (среду). Примером такого вещества является вода H2O содержащая в своём составе водород H или графит С.

Нейтроныприпрохождениичерезвеществорассеиваются(отклоняются от первоначального направления) и замедляются (уменьшают скорость).

Медленные нейтроны эффективныдлявозбуждения ядерных реакций. Это связано с тем, что они относительно долго могут находиться вблизи атомного ядра. При таких условиях вероятность захвата нейтрона атомным ядром очень большая.

Примерами являются следующие реакции с участием медленных нейтронов:

упругое рассеяние на ядрах (ядерная реакция типа (n,n))

ZA X 01n A Z1Y ;

радиационный захват (ядерная реакция типа (n, )):

ZA X 01n A Z1Y например, 11348Cd 01n 11448Cd .

Реакция типа (n, ) приводит к образованию нового изотопа исходного вещества.

265

Привоздействииналегкиеядратепловыхнейтроновнаблюдаютсяреакции захвата нейтронов 01n с испусканием протонов 11 p и α – частиц 42 He :

23 He 01n 31H 11 p или 105 B 01n 73 Li 42 He .

Быстрые нейтроны эффективны для возбуждения реакций типа (n,

р) и (n, α).

В данном случае энергия нейтронов достаточна для преодоления потенциального барьера, препятствующего вылету протонов и α-частиц.

Для быстрых нейтронов наблюдается неупругое рассеяние по схеме

ZA X 01n ZA X 01n ,

где 01n – обозначает не первичный нейтрон проникший в ядро, а новый нейтрон возникший в процессе реакции;

ZA X – ядро в возбужденном состоянии.

Переход возбужденного ядра в нормальное состояние сопровождается испусканием -кванта.

При энергиях нейтронов E01n ≈10 МэВ возникают ядерные реакции типа

(n,2n). Примером таких реакций являются, например:

23892 U 01n 23792 U 201n, а далее 23792 U 23793 Np 10e.

Реакция деления ядра

Реакции деления ядер могут происходить под действием нейтронов и других частиц. При делении первичного ядра с числом нуклонов А возникаютболеелегкиеядра(осколки). Наиболеевероятнымпроцессомвреакции деления ядер является образование двух ядер с числом нуклонов приблизительно равным половине от первоначального числа нуклонов А/2.

Распределение продуктов деления урана по массам представлено на рис.146.

Деления ядер сопровождается ис-

пусканием двух-трех вторичных нейтронов 01n , называемых нейтронами деления.

Особенность деления ядер – испус-

266

ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными и они могут претерпеть ряд -превращений, сопровождаемых испусканием -квантов.

Примером этого процесса является реакция деления ядра урана 23592 U

23592 U 01n 13954 Xe 9538Sr 201n .

Осколок деления 13954 Xe в результате трех актов -распада превращается в стабильный изотоп лантана 13957 La :

13954 Xe 13955 Cs 13956 Ba 13957 La

Осколки деления разнообразны, поэтому приведенная реакция – не единственная.

На каждый акт деления в среднем приходится 2,5 испущенных нейтронов. Большинство из них испускается за очень малый интервал времени

t 10 14 с (практически мгновенно). Поэтому такие нейтроны названы мгновенными нейтронами. Малая часть испущенных нейтронов (≈0,7%) появляющихся спустя некоторое время после деления (0,05 с ≤ t ≤ 60 с) названа запаздывающими нейтронами.

Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии.

Удельная энергия связи Ecв EAсв для ядер расположенных в средней

части периодической системы элементов Менделеева составляет примерноEcв 8,7 МэВ, а для тяжелых ядер – Ecв = 7,6 МэВ.

Экспериментально доказано, что при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия примерно равная Ecв = 1,1 МэВ на

нуклон. Вероятность деления ядер определяется минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра. Такая энергия названа энергией активации.

Реакции деления ядер осуществляются тепловыми нейтронами, движущимися хаотически с малыми скоростями и имеющими малую энергию.

Реакции деления подвержены ядра изотопа урана 23592 U , изотопа плутония 23994 Pu , изотопа урана 23392 U и изотопа тория 23090Th .

Цепная реакция деления

Цепная реакция деления – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты реакции.

Коэффициент размножения нейтронов k численно равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.

k Nt 1 . Nt

267

Коэффициент размножения нейтронов k зависит от природы делящегося вещества. Для данного изотопа k зависит от количества, размеров и формыпространства(активнаязона), в которомпроисходитцепнаяреакция деления ядер.

Для развития цепной реакции деления ядер необходимо обеспечить выполнение условие для коэффициента размножения нейтронов:

k 1.

Критическиеразмерыактивнойзоны– этоминимальныеразмеры, при которых возможно осуществление цепной реакции деления ядер.

Критическая масса – это минимальная масса делящегося вещества в системе критических размеров активной зоны, которая необходима для осуществления цепной реакции деления ядер.

Скорость развития цепной реакции деления ядер оценивают с учётом среднего времени жизни одного поколения нейтронов T и числа нейтронов в данном (исходном) поколении N .

В последующем поколении число нейтронов равно kN . Поэтому бесконечно малое число нейтронов за одно поколение равно

dN kN N N(k 1).

Скорость нарастания цепной реакции равна dNdt N(kT 1) dN N(kT 1) dt

Число нейтронов в начальный момент времени N0 и число нейтронов

нейтронов во времени в цепной реакции деления ядер.

Самоподдерживающаясяреакция– этореакция, прикоторойкоэффи-

циент размножения нейтронов k = 1. При такой реакции число нейтронов в реакторе с течением времени t не изменяется N = const.

Реакция развивающаяся – это реакция, при которой коэффициент размножения нейтронов больше единицы k > 1. Число делений ядер в ходе такой реакции непрерывно нарастает и реакция может стать взрывной.

Реакция затухающая – это реакция, при которой коэффициент размножения нейтронов k < 1. Число нейтронов в ходе такой реакции непрерывно уменьшается и реакция прекращается.

Цепные реакции деления ядер в зависимости от величины коэффициента размножения нейтронов k подразделяют на управляемые (величина k изменяется во времени) и неуправляемые (величина k не изменяется во времени k = const).

268

Ядерные реакторы

Ядерный реактор – это устройство (рис.147), в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер.

Вактивнойзонереакторарасположенытепловыделяющиеэлементы (ТВЭЛ) 1. ТВЭЛЫ представляют собой блоки из делящегося ядерного материала. За счет энергии, выделяющейся при делении ядер, ТВЭЛЫ разогреваются. Поэтому их погружают в поток теплоносителя 3. Нейтроны, проходя сквозь

Принципдействияреактора на тепловых нейтронах основан на управлении цепной реакцией деления

ядерного вещества. Оно осуществляется специальными управляющими стержнями5 изматериалов, сильнопоглощающихнейтроны(например, бор В и кадмий Cd).

Если стержни 5 погружены в реактор полностью, то реакция деления не происходит. При постепенном поднятии стержней коэффициент размножениянейтроновk увеличиваетсяипридостижениизначенияk = 1, реактор начинает свою работу.

По мере работы реактора количество делящегося материала в активной зоне уменьшается, а сама активная зона заполняется осколками деления. В составеосколковмогутбытьядрасильнопоглощающиенейтроны. Поэтому для поддержания течения реакции деления из активной зоны постепенно извлекаются управляющие (а часто специальные компенсирующие) стержни.

Ядерный реактор является источником радиации в виде нейтронов

01n и -фотонов и по этой причине в его составе имеется пульт дистанцион-

ного управления и устройства осуществляющие биологическую защиту.

Ядерные реакторы классифицируют:

1)по составу основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель» и теплоноситель);

2)по способу размещения ядерного топлива и замедлителя в активной

зоне:

гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом), гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков));

269

3)по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах);

4)по типу временного режима работы (непрерывные и импульсные);

5)поцелямиспользованиянапрактике (энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т.д.).

Реакция синтеза атомных ядер

Реакция синтеза атомных ядер связанас образованием более тяжелых ядер из первичных более легких ядер.

Реакции синтеза ядер сопровождаются выделением огромной энергии в виде кинетической энергии ядер осколков. Удельная энергия связи

Ecв EAсв зависит от числа нуклонов А.

В процессе слияния изотопов водорода 21H и 31H формируются ядра

лития 63 Li и ядра гелия 42 He удельная энергия связи резко увеличивается на

величину .

Примерные реакции синтеза и количество тепловой энергии выделяемой в ходе их осуществления перечислены ниже:

21H 21H 31H 11 p , Q 4.0 Мэв; 21H 21H 31H 01n , Q 3,3 Мэв;

21H 31H 42 He 01n , Q 17,6 Мэв.

Изменениеудельнойэнергиясвязиприреакцияхсинтезаядергораздо больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер ( Ecв)СИНТ > ( Ecв)ДЕЛ .

В реакции синтеза, происходящей c образованием протонов 11 р величина ( Есв) = 17,6/5 МэВ ≈ 3,5 МэВ, а при делении ядра 23892 U –

( Есв) =200/238 МэВ ≈ 0,84 МэВ.

Теоретическая оценка энергии необходимой для реакции синтеза двух дейтонов 21H (дейтоны – это ядра находящиеся внутри атома дейтерия) с

образованием ядер трития 31H показала, что данная реакция будет осуществляться при температурах вещества, составленного из атомов дейтерия, порядка T = 2,6 109 К.

Однако для обеспечения реакции синтеза атомных ядер 21H достаточно

нагреть дейтерий всего лишь до температуры порядка T = 107 К. Этот факт объясняется:

1) статистическим законом, описывающим тепловое движение атомов (ядер).

При температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любоегазообразноевеществонаходитсявособомсостоянииввидеплазмы.

270