40). Реакция деления ядра. Цепная реакция деления.

Реакция деления ядра

Реакция деления ядра заключается в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер, чаще всего на 2 ядра, близких по массе.

Особенностью деления ядер заключается то, что оно сопровождается испусканием 2-3х вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Т.к. для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов, а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов( N/Z=1,6) то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Но испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд - превращений, сопровождаемых испусканием - квантов. Т.к. - распад сопровождается превращением нейтрона в протон :

, то после цепочки - превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу..

Цепная реакция деления.

Это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициеном размножения. К нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование .

Практическая возможность существования цепных реакций деления доказана развитием ядерной энергетики, в которой созданы различные типы ядерных реакторов – устройств, где реализованы управляемые цепные реакции.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа- от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Скорость развития цепных реакций различна, Пусть Т- среднее время жизни одного поколения, а N- число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т.е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN= kN- N= N (k-1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т.е. скорость нарастания цепной реакции, .

Интегрируя получим: N=

Где N0- число нейтронов в начальный момент времени, а N –их число в момент времени. N определяется знаком (к-1). При к>1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При к=1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При к < 1 идет затухающая реакция.

41 Космическое излучение. Типы взаимодействия элементарных частиц. Частицы и античастицы

Космического излуче­ния — излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства. Интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h »50 км остается практически постоянной.

Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Первичное излучение представляет собой поток элемен­тарных частиц высокой энергии. Считается, что первичное космическое излучение имеет в основном галактическое происхождение. Считается, что ускорение частиц до столь высоких энергий может происходить при столкновении с движущимися межзвездными магнитными полями. С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. Вторичные части­цы по мере продвижения к поверхности Земли испытывают поглощение.

В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жесткий (обладает в свинце большой проника­ющей способностью).

Виды взаимодействия элементарных частиц

Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.

Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.

Античастицы - Элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и других физических характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, например знаком электрического заряда). Существование и свойства античастиц определяются в соответствии с фундаментальным принципом квантовой теории поля - ее инвариантностью относительно CPT-преобразования. Частицам и их античастицам приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа. Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения сильного и электромагнитного взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из античастиц (ядра и атомы антивещества) должны иметь идентичную структуру. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и античастицы совпадают. Все известные истинно нейтральные частицы - бозоны, однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы. Обычно по аналогии с электроном "частицами" называют отрицательно заряженные лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Рождение античастиц происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица. В лабораторных условиях античастицы рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся античастиц осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретическая астрофизика рассматривает образование античастиц (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на черные дыры. В рамках современной космологии рассматривают рождение античастиц при испарении первичных черных дыр малой массы. При температуpax, превышающих энергию покоя частиц данного сорта, пары частица-античастица присутствуют в равновесии с веществом и электромагнитным излучением.

Различают первичное и вторичное космическое излучения. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий ( сильно поглощается синцом) и жесткий (обладает в свинце большой проникающей способностью)

Электромагнитное воздействие характеризуются как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрально, антинейтрально и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Слабое взаимодействие- наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино, а так же за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и по-видимому в процессах микромира несущественно.

Элементарные частицы принято делить на три группы: фотоны, лептоны, андроны;

Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должна иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды одинаковые спины и изотопические спины, а так же одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей из взаимодействия баринное число, странность, очарование. Согласно теории Дирака столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате кот возникают другие элементарные фотоны.