Физика / 13.________ _______ ______

максимальним значенням, яке відповідає повній утраті енергії ядром при β−розпаді (див. Мал.82 ). Досліджуючи експериментальні дані енергії електронів з точки зору закону збереження енергії та погодження неперервного спектра електронів з дискретним спектром енергій ядер, В.Паулі в 1932 році висунув гіпотезу про те, що β-розпад супроводжується випромінюванням крім електрона ще й нейтральної частинки з нульовою масою спокою. Таку частинку за пропозицією Е.Фермі було названо нейтрино (з італійської - маленький нейтрон).

Позитронний β-розпад відбувається за схемою

ZA Y ZA−1 X* +10 e + νe .

Наприклад, процес позитронного β-розпаду фосфору має вигляд:

1530 P 1430 Si +10 e + νe .

Е-захват полягає в тому, що ядро захоплює один із К-електронів (рідше L- чи M-електронів) свого атома. При цьому один із протонів ядра перетворюється у його надрах у нейтрон

11p +0−1 e +10 n + νe

і процес Е-захвату можна записати у вигляді

ZA Y +0−1 e ZA−1 X* + νe

Наприклад, при Е-захваті калій перетворюється в аргон

1940 K +0−1 e 1840 Ar* + νe .

Усі три види β-розпаду супроводжуються γ-випромінюванням

збудженого дочірнього ядра.

Крім наведених прикладів природної радіоактивності існують ще протонна активність та спонтанний поділ важких ядер на частини. При протонній активності ядро випромінює один або більше протонів. Усі ядра, для яких

Z2 / A > 49,

єабсолютно нестабільні і діляться на частини за час порядку 10−23 c .

§69. Методи спостереження та реєстрації радіоактивного випромінювання та частинок

Прилади, що застосовуються для реєстрації та вивчення радіоактивного випромінювання та спостереження елементарних частинок поділяються на два види: спостережні, що дозволяють спостерігати сліди (треки) частинок та реєстраційно-вимірювальні. До перших відносяться камера Вільсона, дифузна камера, бульбашкова камера та ядерні фотоемульсії. До других можна віднести сцинтиляційний, черенківський, газорозрядний, напівпровідниковий лічильники та імпульсну іонізаційну камеру.

Сцинтиляційні лічильники. При падінні частинки на сцинтиляційний екран на ньому виникають світлові спалахи і фотоелектронний помножувач видає електричний сигнал відліку частинки, причому інтенсивність спалаху

заряджених частинок та ≈ 30% для γ −квантів. Часове розрізнення частинок

у потоці складає ≈10−10 ÷10−9 c . Такі лічильники можуть фіксувати не тільки кількість частинок, а й їхній розподіл за енергіями.

Напівпровідникові лічильники реєструють частинки, що проходять через напівпровідниковий діод, створюючи в ньому електричний імпульс.

Іонізаційні лічильники. До приладів, де відбувається іонізація середовища частинками, що реєструються, відносяться імпульсна іонізаційна камера, лічильник Гейгера-Мюллера, камера Вільсона, дифузійна камера, бульбашкова камера та ядерні фотоемульсії.

Імпульсна іонізаційна камера є детектором частинок. В основі її будови знаходиться конденсатор, до якого підведена висока напруга. Газ, що знаходиться між електродами може іонізуватися падаючими частинками і створювати струм в електричному колі камери. Напругу підбирають так, щоб іони, рухаючись до електрода, не змогли рекомбінувати і не змогли здійснювати повторну іонізацію газу.

Камера Вільсона є детектором трека пролітаючої частинки. Вона являє собою скляний циліндр із поршнем. В середині циліндра знаходиться нейтральний газ, який насичено парами води чи спирту. За допомогою поршня проводиться різке розширення газу, яке переводить пари води чи спирту в пересичений стан: при появі центрів конденсації, пар переходить в рідину. Такими центрами можуть бути іони газу, утворені падаючими частинками. Таким чином по траєкторії частинки виникає видимий слід частинки у вигляді мікрокраплинок рідини. При розміщенні камери в магнітному полі, можна виміряти радіус кривизни траєкторії частинки, а за тим визначати енергію, знак заряду та питомий заряд частинки γ=q/m. Камера працює в дискретному режимі від одного розширення до другого.

Дифузійна камера є різновидністю камери Вільсона і може працювати в неперервному режимі. Пересичений пар створюється неперервною дифузією парів спирту від нагрітої кришки до охолодженого дна камери.

Лічильник Гейгера-Мюллера конструктивно виконано у вигляді металевого циліндра (анод) і натягнутого по його осі металевого дроту (катод). При певній напрузі на електродах, в розрідженому газі лічильника, пролітаючою частинкою створюється затравочний іон, який викликає лавинний розряд у газі. Лічильник працює при такій напрузі, що незалежно від первинної іонізації, в ньому виникають однакові електричні імпульси. Ефективність лічильника ≈100% для заряджених частинок та ≈5% для γ-

квантів. Найменший час між двома послідовними імпульсами - час

розрізнення складає 10−9 c .

Бульбашкова камера працює на основі прозорої перегрітої рідини (водень, пропан, ксенон). Перегрітий стан створюється різким розширенням об'єму у камері, при якому різко зменшується тиск насичуючих парів і рідина готова до закипання. При проходженні іонізуючої частинки в рідині на її шляху утворюються іони, що є центрами кипіння (на них виділяються пузирі пару). Низка пузирків створює відповідний видимий трек частинки.

В товщі ядерних фотоемульсій, що наносяться на скляні пластинки, іонізуючі частинки утворюють треки з іонів галоїдного срібла. Після проявлення фотопластинок треки стають видимими і досліджуються просторово, шляхом пошарових зрізів фотоемульсій.

§ 70. Ядерні реакції

1. Загальні уявлення. Під час взаємодії ядра з частинкою відбувається ядерна реакція, результатом якої може бути новоутворене ядро і нова частинка. Записується рівняння реакції у вигляді

A Y +a A1 X +b ,

Z Z1

або

Y(a,b)X,

де A Y - материнське ядро, A1 X- дочірнє ядро , a та b - легкі частинки в якості

Z Z1

яких можуть бути α-частинка, протон - р, нейтрон-n, дейтрон-d, γ-фотон.

При ядерних реакціях виконуються закони збереження заряду, масових чисел, енергії, імпульсу та моменту імпульса. Ядерні реакції можуть бути екзотермічними (виділяють енергію) та ендотермічними (проходять із

поглинанням енергії). Наприклад, до екзотермічних відносяться такі реакції

73 Li +11 H = 2 24 He +17.3 МеВ,

147 N +10 n =146 C +11 H +0.6 МеВ,

а до ендотермічних такі

147 N +24 He +1.1 МеВ =178 O +11 H 1327 Al +24 He + 28.2 МеВ =1530 P +10 n.

Для характеристики ядерних реакцій вводиться ядерний час

τя =10−21c

-час необхідний нуклону (p, n) з енергією 1 МеВ ( V =107 м/c ) для прольоту

відстані, що дорівнює діаметру ядра ( ≈10−14 м). Якщо частинки а , b тотожні, то реакція є розсіюванням, яке може бути пружним (Ea = Eb ) або непружним

(Ea ≠ Eb ).

Ядерні реакції класифікуються за такими ознаками:

•за родом частинок,

•за родом ядер (легкі, важкі),

•за енергією частинок,

•характером ядерних перетворень.

Н.Бор установив, що ядерні реакції, які викликають не дуже швидкі частинки, відбуваються шляхом утворення проміжного ядра F, коли ядро Y захоплює частинки

Y+a → F.

Таке ядро називається складовим або компаунд-ядром. На цей факт указує дуже великий час

τF =10−14 ÷10−12 c

його життя в порівнянні з ядерним часом τя. Розпад ядра F відбувається різними шляхами і не залежить від способу своєї появи. Слід відзначити, що

першою в історії ядерною реакцією була реакція здійснена Е.Резерфордом

147 N +42 He =178 O +11 H .

§ 71. Реакції поділу урану та ядерна енергетика

При опроміненні ядра урану нейтронами відбувається його поділ з утворенням елементів (уламків) із середини періодичної таблиці Менделєєва та в середньому 2,5 нейтронів поділу. Кожний з поділів може відбуватися по різному. Досліджено, що при поділах утворюється близько 80 різних уламків, процентний склад яких Y, в залежності від масового числа, представлено на

малюнку. Одначе, при реакціях поділу 92235 U повільними (тепловими з

Е≈0,03еВ) нейтронами найбільш імовірним є утворення осколків з відношенням мас 2:3 (до 10%) (див. Мал.83 ). Маса утворених осколків із середини періодичної таблиці Менделєєва менша маси вихідного ядра урану приблизно на 200 МеВ, тобто при поділі вивільнюється саме така енергія. При поділі ядра спостерігається випромінювання уламками миттєвих та загаяних (час запізнення ≈0,5÷60 с) нейтронів. Слід відзначити, що ядра

92235 U та 94239 Pu добре діляться будь-якими нейтронами, але особливо ефективно повільними. Ядра 92238 U діляться тільки швидкими нейтронами (енергія ≈ 1 МеВ), а повільні нейтрони захоплюються ядром з утворенням 92239 U і вивільненням енергії збудження через γ-випромінювання. 92239 U нестабільний і через β-розпад перетворюється в нептуній 93239 Np .

Практичне використання реакції поділу урану виникло після створення умов для виникнення ланцюгової реакції - такої, що сама розвивається, множачи число нейтронів у поколіннях реакції з геометричною прогресією. Такі умови настають після збагачення урану його компонентою 235U92. Природний уран містить

99,27% 92238 U, 0,72% 92235 U, 0,01% 92234 U,

тобто на одне ядро 92235 U приходиться ≈138 ядер 92238 U. В такій суміші 92238 U

захоплює практично всі повільні електрони без поділу і тому в природному урані не може виникнути ланцюгова реакція. При досягненні критичної маси

92235 U, коли число нейтронів поділу стає рівним або більше числа нейтронів,

що виходять за поверхню речовини, виникає ланцюгова ядерна реакція поділу.

Наведемо вираз для формули реакції. Нехай у початковий момент є N0 нейтронів, Т-середній час життя одного покоління нейтронів, N - число нейтронів у даному поколінні, k-коефіцієнт множення нейтронів. В наступному поколінні число нейтронів стане kN і приріст нейтронів за період

dN = kN −N = (k −1)N.

При k=1 йде самопідтримуюча реакція поділу, при k<1 йде згасаюча реакція. При k>1 розвивається ланцюгова реакція.

Некерована ланцюгова реакція створюється в атомній зброї. Критична маса бомби міститься в декількох частинах пристрою з надвеликою міцністю. Шляхом звичайного вибуху частини чистого урану чи плутонію зближуються й настає критична маса з ланцюговою реакцією. За дуже короткий час виділяється дуже велика енергія, що приводить до надпотужного вибуху. Під час поділу не вся маса урану ділиться і він разом з уламками забруднює природне середовище радіонуклідами.

Керована ланцюгова реакція відбувається в ядерних реакторах, де в просторі розміщення 92235 U розміщується речовина, що сповільнює хід

реакції. До таких речовин відносяться дейтерій, графіт та берилій, що мають властивість добре поглинати нейтрони. Перший графіт-урановий реактор був запущений в 1942 році в США (м. Чикаго) Енріко Фермі, а в СРСР у Москві

Ігорем Васильовичем Курчатовим. Теплова енергія, що виділяється в активній зоні реактора відбирається в першому колі теплообмінника теплоносієм - вода або натрій чи калій. У другому колі теплоносій віддає тепло воді, яка перетворюється в пар високої енергії. Енергія пару відбирається турбіною і перетворюється в електричну. Існують реактори на теплових (повільних) нейтронах із сповільнювачем. Якщо паливо збагатити

повільними нейтронами. В цих реакторах кількість утворених ядер 94239 Pu та 92233 U, переважає кількість витрачених ядер 92235 U, 94239 Pu і тому такі реактори називаються розмножувальними.

§ 72. Реакції синтезу ядер та термоядерна енергетика

В експерименті було визначено, що реакції синтезу легких ядер можуть дати більше енергії ніж ядерні реакції поділу урану або торію в

розрахунку на один нуклон. Наприклад, в реакції синтезу

73 Li +11 H = 2 24 He +17.3 МеВ,

з виділенням 17,3 МеВ енергії, на один нуклон приходиться 17,3/8≈ 2,1625

МеВ, а в реакції

12H +13 H 24 He +10 n +17.6 МеВ

на один нуклон приходиться енергія 17.6/5= 3,52 МеВ. В реакції поділу ядра урану на один нуклон приходиться виділена енергія ≈ 1 МеВ. Для злиття двох ядер, наприклад, водню потрібно, щоб енергії цих ядер було достатньо для наближення їх на відстань ≈ 2 10-15 м:

Враховуючи квантовий характер тунельного процесу, можна стверджувати,

що реакція синтезу може відбуватися і при температурах менших 108 К. Основним джерелом енергії зірок, в тому числі і Сонця, є циклічна

реакція синтезу протонів в ядро гелію

11p +11 p 12 d +0+1 e 11 p +12 d 32 He + γ 32 He +32 He 24 He +11 p +11 p.

Температура зірок сягає ≈107 ÷108 K . Існує ще один цикл, який може бути джерелом енергій зірок. Він називається вуглець-азотним, де відбувається синтез 4 протонів у ядро гелію у присутності ядер вуглецю, як каталізатора.

Здійснення керованої ядерної реакції синтезу займає розум великої частини фізиків світу і розв'язується ця задача різними шляхами. Один із них реалізовано в СРСР в установці "Токамак" (скорочена назва: тороїдальна камера з магнітними котушками). В цій установці у тороїдальній камері магнітним полем утримується плазма, що розігрівається струмом високої напруги.

Існує також принцип керованої лазерної (електронної) термоядерної реакції, коли суміш дейтерію та тритію опромінюється кільцевим лазерним (електронним) імпульсом надвисоких енергій і тиску.

Здійснення керованої термоядерної реакції синтезу може привести до нового ступеня розвитку цивілізації.