Контрольные вопросы

1.Опишите характер взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом.

2. Как происходит взаимодействие электронов и γ-лучей

свеществом?

3.Что называется дозой излучения? Какие виды излучения существуют?

4.Охарактеризуйте единицы измерения радиоактивности.

4.ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

4.1. Основные типы ядерных реакций

Ядерной реакцией называется такое взаимодействие двух или более частиц, которое приводит к появлению новых элементов. При ядерных реакциях возможно отщепление от атомного ядра некоторого количества нуклонов, т.е. происходит разложение ядра по схеме

73

где X и Y – атомные ядра до и после реакции; а – налетающая на ядро частица; b – частица, появившаяся в результате реакции. В ядерной физике превращение (12) коротко записывается в виде

Или ещё более краткая запись – (a,b). Расшифровка (13) следующая: частица а налетает на исходное ядро Z X A и после реак-

ции образуется другое ядро: Z ′Y A′ – с вылетом частицы b. Позже

рассмотрим это превращение на примерах.

Атомные ядра способны вступать в соединение в основном с такими частицами, как 1 H 2 (или D, дейтерий), 1 H 3 (или T, тритий), 2 α4 (ядро гелия или альфа-частица), 0 n1 (нейтрон), 1 p1 (протон), γ -фотон.

При ядерных реакциях выполняются следующие законы сохранения: суммарного массового числа; электрического заряда; энергии; момента импульса; импульса; спина; барионного заряда и др.

При протекании ядерной реакции может выделяться или поглощаться энергия Q, МэВ, которая определяется по формуле

Q = 931,44 mx + m a −my − mb ,

где массы берутся в а.е.м.

Если энергия выделяется (Q > 0), то реакция называется экзотермической если происходит поглощение энергии (Q < 0), то реакцию называют эндотермической. Например,

α+ α → p + Li7 −17 МэВ

–эндотермическая реакция.

Рассмотрим типы ядерных реакций.

1. Реакция захвата (n, γ). Эта реакция происходит в том слу-

чае, когда из составного ядра не вылетают никакие частицы. Возбужденное составное ядро переходит в нормальное состояние, излучая γ - кванты.

74

Например:

13 Al27 + 0 n1 → 13 Al28 + γ.

2. Ядерные реакции с излучением заряженных частиц

(p,α); (n, p); (n,α); (α, p).

Например:

7 N14 + 2 α4 → 6 F18 → 8 O17 + 1 p1 или 7 N14 (α, p)8 O17 .

7 N14 + 0 n1 → 6 C14 + 1 p1 + 0,6МэВ (n,α);

3 Li6 + 2 α4 → 5 B10 + 0 n1 +Q (α,n).

3. Реакции с испусканием нейтронов (p,n); (α,n) и (d,n).

Например:

3 Li7 + 1 p1 → 4 Be7 + 0 n1 +Q ;

1 H 2 + 1 H 2 → 2 He3 + 0 n1 +Q ;

4 Be9 + 2 He4 → 6 C12 + 0 n1 +Q ;

3 Li7 + 2 He4 → 5 B10 + 0 n1 .

4. Реакция вида X (γ,n)X . Например:

47 Ag109 + γ → 47 Ag108 + 0 n1 .

В ядерной физике при объяснении закономерностей и предсказании результатов конкретных реакций используют два механизма реакции: прямой и составного ядра.

1. Механизм прямых ядерных реакций. Существуют ядерные реакции, протекающие при высоких энергиях, которые характеризуются такими особенностями, как почти полная передача энергии падающей частицы (а) вылетающему фрагменту и равновероятное вылетание протонов и нейтронов. К ним относятся реакции срыва

(d, p) и (d,n), при которых дейтон d оставляет в ядре X один из своих нуклонов (например, 1 H 2 + 8 O16 → 9 F12 + 0 n1 ), и реакции

75

перехвата (p,d ) и (n,d ), при которых происходит обратный вы-

шеуказанному процесс.

Для описания этих процессов используется механизм прямых ядерных реакций (С. Батлер, 1953 г.). Суть его заключается в следующем. Налетающая с большой энергией частица (а) взаимодействует не с ядром в целом, а с каким-то отдельным элементом (нуклоном или небольшой группой нуклонов), непосредственно ему передавая свою энергию в течение ядерного времени

τ ~10−22 −10−21 c. Взаимодействие между ядерными нуклонами описывается оболочной моделью ядра.

2. Механизм составного ядра. Он разработан Н. Бором в 1936 г. Суть его в том, что ядерная реакция a + X →Y +b протекает не прямо, а в два этапа:

a + X →C →Y +b .

На первом этапе налетающая частица а захватывается ядром

Х и образуется новое возбужденное ядро C , которое называется составным или компаунд-ядром. Первый этап завершается через

ядерное время τ ~10−22 −10−21 c , т.е. очень быстро. На втором этапе возбужденное ядро C распадается на ядро Y и частицу b за время

τ ~10−12 c .

Вероятность взаимодействия ядер определяется эффективным сечением, смысл которого заключается в следующем. Поток частиц (например, нейтронов) падает на мишень с ядрами, причем настолько тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (рис. 20). Если допустить, что ядра – твердые шарики с поперечным сечением σ, а падающие частицы – твердые шарики с бесконечно малым сечением, то вероятность того, что падающая частица (а) заденет одно из ядер мишени, равна

p = nσδ,

где п – концентрация ядер; δ – толщина мишени.

76

4.2.Деление ядер

В1934 году Ферми с сотрудниками провел систематическое облучение вещества всех элементов до урана нейтронами и обнаружил радиоактивность этих элементов, т. е. получил искусственную радиоактивность. Облученные нейтронами элементы излуча-

ли β-лучи, однако для U235 они обнаружили не только β-распад,

но и сложную смесь других распадов.

В 1938 году Кюри пришел к выводу, что одним из продуктов,

Т1/2 = 3,5 часа. Позже немецкие физики Ганн и Штрассман установили, что среди продуктов распада имеется β-радиоактивный ба-

рий, превращающийся в лантан с Т1/2 = 3,5 часа. Только предположив, что ядро урана делится на две большие части, можно было объяснить появление бария и лантана.

В 1939 году немецкие физики О. Фриш и Л. Мейтнер высказали соображение, что захватившее нейтрон ядро U235 делится приблизительно на две равные части, которые называются осколками деления. Деление может происходить различными путями, всего образуется около 80 различных осколков. Интенсивность реакции деления сильно зависит от энергии нейтрона и от сорта ядер.

Под действием пучка нейтронов с высокой энергией: приблизительно 100МэВ – будут делиться практически все ядра. Нейтроны с энергией в несколько МэВ делят только тяжелые ядра: приблизительно А>210 (атомная масса). Некоторые тяжелые ядра делятся нейтронами всех энергий, начиная от 0,025эВ. К ним отно-

сятся U233 , U235 , Pu239 , Pu249 , Am242 , Am245 .

Вероятность деления тяжелых ядер определяется энергией

нейтрона. Например, для U235 при захвате теплового нейтрона деление происходит в 84 случаях из 100, т.е. вероятность деления равна 0,84. Если тяжелое ядро не делится тепловыми нейтронами, то для него существует эффективный порог деления, то есть энергия, начиная с которой деление идет с заметной вероятностью.

Например, Th232 , U236 , U238 имеют порог деления в области энергии, которая равна Е = 1МэВ. При делении ядра урана и других тяжелых ядер выделяется большое количество энергии, но особен-

78