Н.Е.3.2 - Н.Е.3.3. Лекція № 7

Тема. Природне та штучне перетворення ядер.

План

1. Правила зміщення. Закономірності радіоактивного a-розпаду.
2. Штучне перетворення ядер. Загальна характеристика і приклади ядерних реакцій.
3. Проходження нейтронів через речовину. Ядерні реакції під дією нейтронів.
4. Поділ ядер. Енергія активації поділу.

Самостійна робота.

1. Коефіцієнт розмноження нейтронів. Ланцюгові реакції поділу. Критична маса.

2. Ядерні реактори.

Література

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики.Т.3.. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика. М.: Высшая школа, 1986 г.

2. Чолпан П.П. Фізика – Київ: Вища школа, 2003. – 567 с.

3. Бушок Г.Ф.,Венгер Є.Ф. Курс фізики. 1-3 кн. Кн.3 Оптика. Фізика атома і атомного ядра: Навч. посіб. - К.: Вища школа, 2003. – 311 с.

Радіоактивність – це перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотоп іншого хімічного елемента, яке супроводжується випромінювання деяких елементарних часток. Радіоактивність буває природна і штучна. Штучна спостерігається у ізотопів, отриманих в результаті ядерних реакцій.

Тип радіоактивності	Зміна зарядового числа	Зміна масового Числа А	Характер процесу
a-розпад	Z-2	А-4
b-розпад	Z±1	А
b_-розпад	Z+1	А
b+-розпад	Z–1	А
К-захоплення	Z–1	А
Спонтанний поділ	Z–1/2 Z	А-1/2А	Поділ ядра на два Осколки, приблизно рівної маси

Ядро, яке ділиться, називають материнським, ядро, яке отримується в результаті реакції називають дочірнім. Практично всі типи радіоактивного випромінювання супроводжуються випромінюванням жорсткого gвипромінювання, як форми зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Самовільний розпад описується законом радіоактивності і базується на припущенні, що постійна розпаду l не залежить від зовнішніх умов; Швидкість розпаду dN/dt пропорційна до загальної кількості ядер речовини dN/dt=-lN. З цього співвідношення отримаємо закон радіоактивного розпаду. Величина 1/l визначає середню тривалість життя ізотопу. З цього ж співвідношення ми можемо визначити період напіврозпаду.

Природна радіоактивність спостерігається у всіх елементів таблиці Мендєлєєва, які знаходяться за свинцем. При радіоактивних розпадах виконуються закони збереження електричних зарядів; масових чисел; енергії; спінів часток, які розпадаються, і часток, які утворюються. Ці закони дозволяють передбачити, які ядра утворяться в результаті того чи іншого типу розпаду, тому їх називають ще правилами зміщення.

a-розпад – супроводжується вильотом a-частки, яка утворюється в материнському ядрі з двох протонів і двох нейтронів і просочується через потенційний бар’єр ядра за рахунок тунельного ефекту.

b-розпад. Поділяють на три типи: b_{_}-розпад, b₊-розпад і К-захоплення.

Самовільного радіоактивного розпаду зазнаються всі елементи з масовим числом А>200 Z>82.

Ядерні реакції відбуваються під дією зовнішнього впливу. Тому ядерні реакції можуть відбутись з будь-якими ядрами. Потрібна високоенергетична частка, яка може подолати кулонівське відштовхування ядра і наблизитись до нього на відстань < 10-15. За таких обставин ядро поглине частку з енергією W за рахунок вмикання ядерних сил притягання, перейде в збуджений стан. Надлишкова енергія перерозподілиться між всіма нуклонами, ядро стане нестійким і з часом розпадеться. Для ядерних реакцій також виконуються закони збереження.

Всі ядерні реакції можна умовно розділити на реакції синтезу (термоядерні) і реакції поділу.

Реакції синтезу потребують значних енергій, які у переводі на температуру відповідають сотням мільйонів градусів. Зрозуміло, що такі температури в земних умовах можна створити лише у ядерних бомбах, та спеціальних пристроях – термоядерних реакторах. У природі такі температури спостерігаються в нарах зірок. Так у надрах Сонця реакція перетворення 4-х протонів у ядро атома гелію дає 26МеВ енергії на один цикл.

У 1939 році Ган і Штрасман спостерігали реакцію поділу атомних ядер урану. Для того, щоб вона протікала, достатньо уран помістити в обмеженому просторі. Тоді щільність нейтронів, які виникають в результаті реакції поділу, стане критичною, розпочнеться ланцюгова ядерна реакція. Мінімальну масу урану, за якої реакція відбувається самочинно, називається критичною.

Для поділу урану-238 потрібні швидкі (>1МеВ) нейтрони. Для ланцюгової реакції на урані-235 потрібні повільні нейтрони. При цьому коефіцієнт розмноження нейтронів k>1. В результаті цієї реакції виникає два ланцюги радіоактивних елементів, які перетворюються до того часу, поки не утворяться два стабільні ізотопи.

Космічні промені – це потоки елементарних часток, які надходять на Землю з Космосу. На 90% вони складаються з високоенергетичних протонів (з енергіями >1ГеВ), 9% ядер Не та 1 % тяжчі ядра. Ці промені називаються первинними. Вторинні космічні промені виникають в атмосфері на висоті приблизно 50 км в результаті взаємодії первинних космічних променів з атмосферою. Нижче 20 км всі космічні промені вторинні. Потік первинних променів 1 частка/см²с; вторинних – 0,0175 частки/см²с.

Протони з енергією >10⁴ ГеВ + атоми земної атмосфери утворюють мю-мезони. (мю-мезони бувають додатними і від’ємними, з масою, що рівна приблизно 200 мас електронів). Мю-мезон захоплюється атомом і утворюється мезоатом. Спочатку вважали, що мю-мезон є квантом ядерного поля. Але дослід показує, що мю-мезон не захоплюється ядром, час життя мю-мезона - 10^-14 с, а ядерна взаємодія відбувається за 10 ^-22 с. Тому прийшли до висновку, що мю-мезон взаємодіє з ядром слабкою взаємодією, яка в 10¹⁴ раз слабша за сильну, але набагато більша за гравітаційну. Отже в природі існує гравітаційна, електромагнітна, слабка і сильна взаємодії.