25.Альфа-распад и его основные характеристики. Представление о теории альфа-распада.

Альфа-распад - распад атомных ядер, сопровождающийся испусканием альфа-частиц (ядер 4He).Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивность за редким исключением (например 8Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов, кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2 ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A.Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии M(A,Z) >M(A-4,Z-2) + Ma, где M(A,Z) и M(A-4,Z-2) - массы покоя исходного и конечного ядер соответственно, Ma - масса альфа-частицы. При этом в результате распада конечное ядро и альфа-частица приобретают суммарную кинетическую энергиюQa = ( M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - Ma ) с2,которая называется энергией альфа-распада. Ядра могут испытывать альфа-распад также на возбужденные состояния конечных ядер и из возбужденных состояний начальных ядер. Поэтому соотношение для энергии альфа-распада (2) можно обобщить следующим образомQa = ( M(A,Z) - M(A-4,Z-2) - Ma ) с2 + - , где и - энергии возбуждения начального и конечного ядер соответственно. Альфа-частицы, возникающие в результате распада возбужденных состояний, получили название длиннопробежных. Для большинства ядер с A > 190 и для многих ядер с 150 < A < 190 условие (12) выполняется, однако далеко не все они считаются альфа-радиоактивными. Дело в том, что современные экспериментальные возможности не позволяют обнаружить альфа-радиоактивность для нуклидов с периодом полураспада большим, чем 1016 лет. Кроме того, часть “потенциально” альфа-радиоактивных ядер испытывают также бета-распад, который сильно конкурирует с альфа-распадом. Основную часть энергии альфа-распада (около 98%) уносят альфа-частицы. Используя законы сохранения энергии и импульса для кинетической энергии альфа-частицы Ta можно получить соотношение

альфа-распад является следствием электрического отталкивания между протонами ядра, которое наступает в момент увеличения расстояния между ними. Такое увеличение расстояния иногда вызывается внешними причинами, поглощением волн или механическим воздействием, но в большинстве случаев, когда речь идёт о так называемом, самопроизвольном распаде, он (альфа-распад) вызван энтропийными причинами

26.Основные виды бэта-процессов. Позитрон. Механизм бэта-распада. Нейтрино и его свойства.

Бе́та-распа́д — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус» (β − ), а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» (β + ). Кроме β − и β + -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино (β + -распад, электронный захват) или антинейтрино (β − -распад).

В β − -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:

.На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона.

В β + -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

Таким образом, в отличие от β − -распада, β + -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. β + -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц.

Во всех случаях, когда β+-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:

.

Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии. Нейтрино — единственная частица, не участвующая ни в сильных, ни в

электромагнитных взаимодействиях; единственный вид взаимодействий, в

котором может принимать участие нейтрино, — слабое взаимодействие.

Нейтри́но — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3-10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6×1010 нейтрино, испущенных Солнцем[1]. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями[2]. Свойства нейтрино:

Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино:

электронное нейтрино/электронное антинейтрино;

мюонное нейтрино/мюонное антинейтрино

тау-нейтрино/анти-тау-нейтрино

Масса нейтрино крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ[3][4]. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7×10−3 эВ².

Масса нейтрино важна для предположения объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на её малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга. Это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения солнечных нейтрино и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино. Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в котором были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Подтверждение нейтринных осцилляций потребует внесения изменений в Стандартную Модель.

В экспериментах с рождением ультрарелятивистских частиц, нейтрино обладают отрицательной спиральностью, а антинейтрино — положительной

График Кюри (известен также как график Ферми) — диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц с данной энергией, делённая на функцию Ферми. Для разрешённых (и некоторых запрещённых) бета-распадов график Кюри линеен (прямая линия, наклонённая в сторону роста энергии). Если нейтрино имеют конечную массу, то график Кюри вблизи точки пересечения с осью энергии отклоняется от линейного, благодаря чему появляется возможность измерить массу нейтрино.

Вид:Некоторые ядра могут испытывать двойной бета-распад (ββ-распад), при котором заряд ядра меняется на две единицы. В самых практически интересных случаях такие ядра бета-стабильны (простой бета-распад энергетически запрещён), поскольку когда β- и ββ-распады оба разрешены, вероятность β-распада (обычно) намного больше, мешая исследованиям очень редких ββ-распадов. Таким образом, ββ-распад обычно изучается только для бета-стабильных ядер. Как и простой бета-распад, двойной бета-распад не меняет A; следовательно, как минимум один из нуклидов с данным A должен быть стабильным по отношению как к простому, так и к двойному бета-распаду.

Позитро́н (от англ. positive — положительный) — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс называется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле.

27.Ядерные реакции. Эффективное сечение взаимодействия. Основные виды ядерных реакций. Энергетический выход (Q) ядерной реакции.

Ядерные реакции-процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц.

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них частиц — реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, альфа-частиц); реакции под действием гамма-квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях

(порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов;

реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием гамма-квантов и заряженных частиц (протоны, альфа-частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющее большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер реакции на легких ядрах (А < 50); реакции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100);

4) по характеру происходящих ядерных превращений — реакции с испусканием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько ^-квантов).

В Я.р. строго выполняются законы сохранения импульса и энергии. Однако нек-рая часть икнетич. энергии может переходить в энергию покоя и, наоборот, энергия покоя может освобождаться в виде кинетич. энергии к-рая передается др. частицам при последующих столкновениях или уносится такими элементарными частицами, как фотоны и нейтрино. Энергетическим выходом реакции Q наз. разность между суммарными энергиями покоя всех частиц до и после Я.р. Если Q >0, то суммарная энергия покоя уменьшается в процессе Я.р. Такие Я.р. наз. экзоэнергетическими или беспороговыми. В принципе они могут протекать при сколь угодно малой начальной кинетич. энергии частиц. Наоборот, при Q <0 часть исходной кинетич. энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие Я.р. наз. эндоэнергетическими или пороговыми. Для их протекания необходимо, чтобы кинетич. энергия частиц превышала нек-рую величину (порог реакции).

Закон сохранения импульса накладывает ограничение на величину кинетич. энергии, к-рая может перейти в энергию покоя. Вся кинетич. энергия может перейти в энергию покоя лишь в том случае, когда полный импульс реагирующих частиц равен нулю. Поэтому Я.р. удобно рассматривать в системе координат, в к-рой центр инерции (ц.и.) взаимодействующих частиц покоится, т.е. полный импульс равен нулю по определению. Далее, если особо не оговорено, под энергией взаимодействия будет подразумеваться кинетич. энергия частиц в системе ц.и. В случае двух нерелятивистских ат. Я энергия взаимодействия определяется по ф-ле

, (2)

где - относительная скорость частиц, а M - приведенная масса

, (3)

причем A1 и A2 - массы Я, измеренные в а.е.м. (A1u).

Условие протекания эндоэнергетических Я.р. можно записать в виде . Из этого неравенства с помощью (2) можно получить в лабораторной системе координат, где, напр., частица с массой m2 покоится, а частица с массой m1 налетает на нее с кинетич. энергией , необходимое условие для протекания эндоэнергетической реакции:

. (4)

Такое возрастание порога реакции в лабораторной системе координат объясняется тем, что часть кинетич. энергии, связанная с движением центра масс, остается бесполезной для Я.р.

28.Реакции деления. Основные опытные закономерности. Влияние сил электростатистического отталкивания и поверхностного натяжения на процесс деления. Параметр z^2/А.

Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Начальная стадия деления — медленное изменение формы ядра, при котором появляется шейка, соединяющая 2 ещё не полностью сформированных осколка . Время прохождения этой стадии (10-14—10-18 сек) зависит от того, насколько сильно возбуждено делящееся ядро. Постепенно шейка утоньшается, и в некоторый момент происходит её разрыв . Образующиеся осколки с большой энергией разлетаются в противоположные стороны.Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии (рис. 2). Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера (См. Потенциальный барьер), называется барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (См. Ядерные реакции) (например, при захвате нейтрона). Я. а. д. наблюдается для всех ядер тяжелее Ag, однако вероятность его во много раз больше для самых тяжёлых элементов. В случае 235U деление происходит при захвате даже тепловых нейтронов (См. Тепловые нейтроны).

самопроизвольное (спонтанное) Я. а. д., при котором происходит туннельное проникновение через барьер деления (см. Туннельный эффект). Спонтанное деление — разновидность радиоактивного распада ядер (см. Радиоактивность) и характеризуется периодом полураспада (периодом деления). Вероятность спонтанного деления зависит от высоты барьера деления. Для изотопов U и соседних с ним элементов барьер деления Ядра атомного деление6 Мэв. Высота барьера, а следовательно, и период спонтанного деления ядер зависят от отношения Z2/A . При изменении Z2/A от 34,3 для 232Th до 41,5 для 260Ku период спонтанного деления уменьшается Ядра атомного деление в 1030 раз.

Деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии. В тяжёлых ядрах из-за больших сил электростатического расталкивания нуклоны связаны друг с другом слебее, чем в осколках — ядрах середины периодической системы элементов .Поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении. Значительная часть этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков, равной энергии электростатического отталкивания двух соприкасающихся осколков в момент разрыва ядра на две части . Суммарная кинетическая энергия осколков несколько увеличивается по мере возрастания Z делящегося ядра и составляет для ядер U и трансурановых элементов величину Ядра атомного деление 200 Мэв. Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая её нагревание, ионизацию и нарушая её структуру. После соответствующей химической обработки под микроскопом могут быть замечены характерные следы осколков деления (рис. 4). Преобразование кинетической энергии осколков деления в тепловую энергию (нагревание ими окружающей среды) является основой использования ядерной энергии.В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутренней энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и γ-квантов (рис. 1, г). Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание γ-квантов. В среднем наблюдается 8—10 γ-квантов на 1 акт деления.

Т. к. разрыв шейки ядра может происходить по-разному, то масса, заряд и энергия возбуждения осколков флуктуируют от одного акта деления к другому.

29.Деление изотопов урана тепловыми и быстрыми нейтронами. Коэффициент размножения. Ядерная энергетика.

Коэффициент размножения-отношение числа нейтронов (элементарная частица, не имеющая электрического заряда) последующего поколения к числу в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтроны среды (активной зоны ядерного реактора).

Ядерная энергетика-это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии (это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях).

В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов . Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы

Деление ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно) *). Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама

*следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки (О) разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содержащегося в камере*

собой, охватывая все большее число ядер. Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892U). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами ; при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23892U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов.Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп 235U, который содержится в природном уране в количестве 0,7%. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением

*Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускаются два нейтрона и потерь нейтронов нет, т. е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления*

процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в 235U в отличие от 238U. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества.В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.

Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию . Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

30.Реакции синтеза. Необходимость высоких температур. Представление о термоядерной энергетике.

термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез - это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие

Реакции синтеза-разновидность ядерной реакции (процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц), при которой лёгкие атомные ядра (центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса) объединяются в более тяжёлые ядра.

Ядерная энергия может освобождаться не только при делении тяжелых ядер, но и при слиянии (синтезе) легких ядер в более тяжелые, причем в гораздо большем количестве (рис. 20). Однако слияние (синтез) легких ядер не происходит при обычных условиях, так как одноименно заряженные атомные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Энергия такого отталкивания рассчитывается по формуле

где Z1 и Z2 – зарядовые числа ядер, r – расстояние между ними.При сближении ядер до расстояния, соответствующего радиусу действия ядерных сил (~ 10-15 м) между ядрами возникает ядерное притяжение, по величине превышающее кулоновское отталкивание. В этом случае два ядра сливаются в одно с большей энергией связи и происходит высвобождение энергии.Энергию, необходимую для слияния ядер, можно им сообщить либо путем их ускорения в ускорителях элементарных частиц, либо путем повышения температуры. Ускорить частицы до требуемых энергий на ускорителе легко, однако создать устройство, производящее таким образом энергию (т.е. ядерный реактор), невозможно. Причина в том, что на ускорение протонов приходится затрачивать значительно бóльшую энергию, чем её выделяется в результате малочисленных случаев синтеза ядер, вызванных ускоренными протонами.Второй путь – нагревание водорода. При нагревании молекулы водорода сначала диссоциируют на атомы, которые в дальнейшем в результате столкновений превращаются в ионы, и при температуре порядка 2.105 К весь газ оказывается практически ионизированным, т.е. превращается в плазму. Нагретая до достаточно высокой температуры плазма благодаря реакции синтеза ядер является мощным источником энергии. Реакции синтеза, протекающие при высоких температурах, называются термоядерными реакциями. Примером термоядерной реакции является следующая: