О В Лисенко - Фізика конспект лекцій - страница 56

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 

Нехай на мішень падає перпендикулярно до її поверхні потік частинок N. Тоді кількість частинок, які мають за одиницю часу зіткнення з ядрами мішені, AN визначається формулою

AN = NP = Nsn5. (110.8)

Отже, визначивши відносну кількість частинок, яка має зіткнення, AN / N, можна було б обчислити поперечний переріз ядра за формулою

s = AN / Nn5. (110.9)

У дійсності ні ядра мішені, ні частинки, що падають на неї, не є твердими кульками. Однак за аналогією з моделлю кульок, що зіштовхуються, для характеристики ймовірності взаємодії використовують величину s , обумовлену формулою (110.9), у якій під AN мають на увазі не число частинок, які зіткнулися, а число частинок, які мали взаємодію з ядрами мішені. Ця величина й називається ефективним перерізом для даної реакції (або процесу).

що отримали назву

Ефективні перерізи ядерних процесів виражають в одиницях, барн:

1барн = 10-28 м2 = 10-10 нм2. (110.10)

7 Уперше ядерна реакція була проведена Резерфордом у 1919 р. При опроміненні азоту a -частинками деякі ядра азоту перетворювалися в ядра кисню, випускаючи при цьому протон. Рівняння цієї реакції має вигляд

174 N (a, p)1870.Резерфорд скористався для розщеплення атомного ядра природними снарядами -а -частинками. Перша ядерна реакція, викликана штучно прискореними частинками, була здійснена Кокрофтом і Уолтоном в 1932 р. За допомогою так званого множника напруги вони прискорювали протони до енергії порядку 0,8 МеВ і спостерігали реакцію

 

 

Далі з розвитком техніки прискорення заряджених частинок множилося число ядерних перетворень, які здійснювалися штучним шляхом.

Найбільше значення мають реакції, які викликаються нейтронами. На відміну від заряджених частинок (p, d, а) нейтрони не зазнають кулонівського відштовхування, внаслідок чого вони можуть проникати в ядра, маючи досить малу енергію. Ефективні перерізи реакцій звичайно зростають при зменшенні енергії нейтронів. Це можна пояснити тим, що чим менша швидкість нейтрона, тим більший час, який він проводить у сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу ядра, і, отже, тим більша ймовірність його захоплення. Однак часто спостерігаються випадки, коли переріз захоплення нейтронів має різко виражений максимум для нейтронів певної енергії Er. Як приклад на рис. 110.2 наведена

крива залежності перерізу захоплення нейтрона ядром 238U від енергії нейтрона E. Масштаб вздовж обох осей - логарифмічний. На рисунку видно, що при E = Er = 1 еВ переріз захоплення різко зростає, досягаючи 23 000 барн. Вид кривої свідчить про те, що явище має резонансний характер. Таке резонансне поглинання має місце в тому випадку, коли енергія, що привноситься нейтроном у компаунд-ядро, дійсно дорівнює тій енергії, яка необхідна для переведення компаунд-ядра на збуджений енергетичний рівень. Подібним чином для фотонів, енергія яких дорівнює різниці енергій між першим збудженим і основним рівнями атома, імовірність поглинання особливо велика (резонансне поглинання світла).
ln s

Є цікавою реакція

10 барн

1і4 N (n, p )14C,

яка постійно проходить в атмосфері під дією нейтронів, утворених космічними променями. Виникаючий при цьому вуглець

14

C називається радіовуглецем, тому що він

Рисунок 110.2 - Переріз нів ядром урану-238

Р" -радіоактивний, його період напів­розпаду становить 5130 років. Радіовуглець засвоюється при фотосинтезі рослинами й бере участь у кругообігу речовин у природі.

Кількість виникаючих в атмосфері за одиницю часу ядер радіовуглецю AN+ в середньому залишається сталою. Кількість ядер, що розпадаються, числу наявних N ядер:

AN = kN.Оскільки період напіврозпаду дуже великий, встановлюється рівноважна концентрація ядер 14C у звичайному вуглеці, що відповідає умові

AN+ = AN , або AN+ = kN.

Спеціальні дослідження показали, що внаслідок дії вітрів і океанських течій рівноважна

концентрація 14C в різних місцях земної кулі однакова й відповідає приблизно 14 розпадам за хвилину на кожний грам вуглецю.Поки організм живе, втрата у ньому 14c через радіоактивність заповнюється за рахунок участі в кругообігу речовин у природі. У момент смерті організму процес засвоєння

відразу ж припиняється й концентрація 14c у звичайному вуглеці починає зменшуватися за

законом радіоактивного розпаду. Отже, вимірявши концентрацію 14c у рештках організмів деревині, костях і т. п.), можна визначити дату їх смерті або, як говорять, їх вік. Перевірка цього методу на древніх зразках, вік яких точно визначений історичними методами, дала цілком задовільні результати.§ 111 Ділення ядер. Ланцюгова ядерна реакція. Ядерна бомба. Ядерний реактор [3]

1 У 1938 р. Ган і Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи із середини періодичної системи - барій і лантан. Пояснення цього явища було дано Фрішем і Мейтнер. Вони висловили припущення, що ядро урану, яке захопило нейтрон, ділиться на дві приблизно рівні частини. Ці частини отримали назву осколків поділу.

Подальші дослідження показали, що поділ може відбуватися різними шляхами. Усього утвориться близько 80 різних осколків, причому найбільш імовірними є поділ на осколки, маси яких співвідносяться як 2:3. Крива на рис. 111.1 дає відносний вихід осколків

різної маси, що виникають при поділі 235u повільними (тепловими) нейтронами. Відповідно до цієї кривої відносне число актів поділу, при яких утворяться два осколки рівної маси

(a » 111), становить 10"2%, у той час як утворення осколків з масовими числами порядку 95 і 140 (95:140-2:3) спостерігається в 1% випадків.

10-4

60     80    100    120    140   160 А

Питома енергія зв'язку для ядер середньої маси приблизно на 1 МеВ більша, ніж у важких ядер. Звідси випливає, що поділ ядер повинен супроводжуватися виділенням великої кількості енергії. Але особливо важливим виявилася та обставина, що при поділі кожного ядра вивільняється кілька нейтронів. Відносна кількість нейтронів у важких ядрах помітно більша, ніж у середніх ядрах. Тому осколки, що утворилися, виявляються сильно перевантаженими нейтронами, у результаті чого вони виділяють декілька нейтронів. Більшість нейтронів випускається миттєво  (за час, менше

10"14 с). Частина (близько 0,15%) нейтронів, яка отримала назву запізнілі нейтрони, випускається не миттєво, а із запізненням від 0,05 с до 1 хв. У середньому на кожний акт поділу виділяється 2,5 нейтронів.

Виділення миттєвих і запізнілих нейтронів не усуває повністю перевантаження осколків поділу нейтронами. Тому осколки виявляються здебільшого радіоактивними й

мають ланцюжок Р" -перетворень, які супроводжуються випромінюванням у -квантів. Пояснимо сказане прикладом. Один зі шляхів, якими здійснюється поділ, виглядає в так:

 

 

Осколки поділу - цезій і рубідій - мають перетворення:394Rb®> ®%Y®4904Zr.

Кінцеві продукти - церій 140Ce і цирконій 94Zr - є стабільними.

Крім урану, при опроміненні нейтронами діляться торій ( 90Th) і протактиній ( 91Pa),,

а також трансурановий елемент плутоній (294Pu). Нейтрони надвисоких енергій (порядку

декількох сотень мегаелектронвольт) викликають поділ і більш легких ядер. Ядра 235U й 239Pu діляться нейтронами будь-яких енергій, але особливо добре повільними нейтронами.

233 230

Тепловими нейтронами діляться також U і Th, але ці ізотопи в природі не трапляються, вони утворюються штучним шляхом.

Ядра 238U діляться тільки швидкими нейтронами (з енергіями, не меншими 1 МеВ).

238

При менших енергіях нейтрони поглинаються ядрами U без подальшого поділу. У результаті утвориться ядро 239U , енергія збудження якого виділяється у вигляді у -фотона. Тому такий процес називається радіаційним захопленням (реакція (n,у)). Ефективний переріз цього процесу різко зростає при енергії нейтронів, що дорівнює приблизно 1 еВ,

238

досягаючи 23 000 барн. Переріз захоплення ядром U теплових нейтронів становить менше 3 барн.

Ядро 239U , яке утворилося в результаті захоплення нейтрона, нестабільне (період напіврозпаду T дорівнює 23 хв.). Випускаючи електрон, антинейтрино й у -фотон, воно

перетворюється   в   ядро   трансуранового   елемента   нептунія   239Np.   Нептуній також

перетерплює Р" -розпад (T =2,3 дні), перетворюючись у плутоній 239Pu . Цей ланцюжок перетворень виглядає в так:

29329U   (232 > 29339Np   (2,3дгб) > 29349Pu. (111.1)

Плутоній а -радіоактивний, однак його період напіврозпаду такий великий (24 400 років), що його можна вважати практично стабільним.

Радіаційне захоплення нейтронів ядром торія 232Th приводить до утворення ізотопу

233

урану    U , який легко ділиться, що є відсутнім у природному урані:

290Th+n®290Th (22мин) >293Ac (2122 )29323и.

Уран-233 а -радіоактивний = 162 000 років).

2 Випромінювання при поділі ядер 235U, 239Pu і 233U декількох нейтронів дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію. Дійсно, випромінені при поділі одного

ядра z нейтронів можуть викликати поділ z ядер, у результаті буде випущено z2 нових

нейтронів, які спричинять поділ z ядер, і т. д. Таким чином, кількість нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. Нейтрони, що

235

випромінюються при поділі ядер U , мають у середньому енергію порядку 2 МеВ, що відповідає швидкості порядку 2-101 м/с. Тому час, що проходить між випромінюванням нейтрона й захопленням його новим ядром, що ділиться, дуже малий, так що процес розмноження в речовині проходить досить швидко.

Намальована нами картина є ідеальною. Процес розмноження нейтронів проходив би описаним способом за умови, що всі нейтрони, які виділилися, поглинаються ядрами, що діляться. У дійсності це далеко не так. Насамперед через скінченні розміри тіла, де відбувається поділ, і велику проникаючу здатність нейтронів багато з них залишають зону реакції, перш ніж будуть захоплені яким-небудь ядром і спричинять його поділ. Крім того, частина нейтронів поглинеться ядрами домішок, що не діляться, внаслідок чого вони виходять із гри, не викликавши поділу й, отже, не утворивши нових нейтронів.Об'єм тіла росте як куб, а поверхня - як квадрат лінійних розмірів. Тому відносна частка нейтронів, що вилітають назовні, зменшується зі збільшенням маси речовини, що ділиться.Природний уран містить 99,21 % ізотопу


233


U


0,12 % 235U


і близько 0,01 %


234


UОтже, на кожне ядро 235U , що ділиться під дією повільних нейтронів, припадає 140 ядер

238

U , які захоплюють не занадто швидкі нейтрони без поділу. Тому в природному урані ланцюгова реакція поділу не виникає.

Ланцюгова реакція в урані може бути здійснена двома способами. Перший спосіб

235

полягає у виділенні із природного урану ізотопу U , який ділиться. Внаслідок хімічної нерозрізненості ізотопів розділ їх являє собою досить важке завдання. Однак вона була вирішена декількома методами.

235 239

3  У чистому 235U (або 239Pu ) кожний захоплений ядром нейтрон викликає поділ з випромінюванням, близько 2,5 нових нейтронів. Однак якщо маса такої речовини менша певного критичного значення, то більшість випромінених нейтронів вилітає назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. При масі, більшій за критичну, нейтрони швидко розмножуються, і реакція набуває вибухового характеру. На цьому базується дія атомної бомби (рис. 111.2). Ядерний заряд такої бомби являє собою два або

235 239

більше частини майже чистого 235U або 239Pu . Маса кожної частини менша критичної, внаслідок чого ланцюгова реакція не виникає.

У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, які народжені космічними променями. Тому щоб викликати вибух, досить з'єднати частини ядерного заряду в один з масою, більшою за критичну. Це потрібно робити дуже швидко, і з'єднання частин повинне бути дуже щільним. У протилежному разі ядерний заряд розлетиться на частини, перш ніж встигне прореагувати помітна частина речовини, яка ділиться. Для з'єднання використовується звичайна вибухова речовина (запал), за допомогою якої однією частиною ядерного заряду вистрілюють в іншу. Весь пристрій укладений у масивну оболонку з металу великої густини. Оболонка є відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпилення доти, поки максимально можливе число його ядер не виділить свою енергію при поділі. Ланцюгова реакція в атомній бомбі йде на швидких нейтронах. При вибуху встигає прореагувати тільки частина ядерного заряду.

4  Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовується в ядерних реакторах. Як речовина, що ділиться,  в реакторах є природний (або трохи збагачений

ізотопом 235u) уран. Щоб запобігти радіаційному захопленню

нейтронів ядрами 238U (який стає особливо інтенсивним при енергії нейтронів, що дорівнює приблизно 1 еВ), порівняно невеликі блоки речовини, що ділиться, розміщають на деякій відстані один від одного, а проміжки між блоками заповнюють сповільнювачем, тобто речовиною, у якому нейтрони вповільнюються до теплових швидкостей. Переріз захоплення

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 


Похожие статьи

О В Лисенко - Фізика конспект лекцій

О В Лисенко - Прогнозування технологічної спадковості при токарній овроещ