Основы ядерной физики. Строение атома. Ядерная реакция

Как известно, все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы - это наи-меньшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов.

Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчай-шая частица химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращаю-щихся вокруг электронов (см. рис. 10.1).

Рис. 10.1.

Строение атома. 1 – ядро атома; 2 – электроны; 3 – орбита движения электрона.

Ядра атомов образованы совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возника-ющими за счет обменов мезонами, частицами меньшей массы (см. рис. 10.2).

Ядро элемента X обозначают как Х или X-A, например, уран U-235 – U, где Z - заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A - массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.

Рис. 10.2. Строение ядра гелия.

n – нейтрон; р – протон; p⁺ - мезон.

Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами (например, уран имеет два изотопа U-235 и U-238); ядра при n = const, z = var – изобарами.

Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра или иначе элементарные час-тицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могут взаимодействовать с ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицы могут захватываться ядрами, либо после столкновения - менять направление движения, отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакция без проникновения внутрь ядра называется упругим рассеянием.

После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном со-стоянии. "Освободиться" от возбуждения ядро может несколькими способа-ми - испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатам различают реакции - захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.

Вероятность реакции характеризуется величиной "поперечного сече-ния" реакции данного типа s (вероятность захвата нейтрона с последующим возбуждением ядра). Поперечное сечение реакции данного типа s является количественной характеристикой ядерной реакции, которая характеризует взаимодействие нейтрона со всеми ядрами, находящимися в 1 см³. Имеют место сечения деления, радиационного захвата, упругого и не упругого рассеивания. Эти сечения называют парциальными. Полное эффективное сечение взаимодействия нейтронов с ядром равно парциальных сумме всех возможных (при данной энергии нейтрона) реакцией. Сумма сечений деле-ния и радиационного захвата называется сечением поглощения.

Важной разновидностью радиоактивных превращений является т.н. спонтанное деление тяжелых ядер, открытое Флеровым и Петржаком в 1942 году. Радиоактивный распад это процесс статистический, т.е. управляемый вероятностными законами.

Период полураспада Т_1/2 - время, в течение которого количество вещес-тва за счет радиоактивного распада уменьшается в два раза.

Интенсивность радиоактивного распада измеряется в единицах, назы-ваемых "беккерель" (1 Бк = 1 распад/1 сек). Важная единица интенсивного радиоактивного распада - кюри (1 кюри = 3,7·10¹⁰ Бк = 37 ГБк)

Деление тяжелых ядер происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передава-емая осколкам деления (см. рис. 10.3). Это фундаментальное явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.

Рис. 10.3.

Примерная схема деления ядра атома.

Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интен-сивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называ-емые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрица-тельно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое воз-буждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.

После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превра-щений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые ос-колки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

При создании определенных условий в процессе распада ядра атома может быть вызвана цепная реакция деления. Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов воз-никают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана U-235 в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Допустим, что в новую реакцию вступают в среднем 2 нейтро-на. Тогда в k -м “поколении” из одного нейтрона в среде образуются 2 k но-вых. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важней-шей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в среде k . Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине k определяется коэффициент размножения нейтронов в физической сис-теме k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки.

В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятнос-ти Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определению

k = k · P.

Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны.

С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет, даже если k > 1. Наоборот, заметное превышение массы над критической ведет к неуправля-емой реакции – взрыв.

Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n -м поколении их будет N·k·n. Поэтому при k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 интенсивность реакции нарастает. При k = 1 ре-жим реакции называется критическим, при k > 1 – надкритическим и при k < 1 – подкритическим.

Время жизни одного поколения нейтронов t сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10^–4 до 10^–8 с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью под-держивать равенство k = 1, так как, скажем, при k = 1.01 система почти мгно-венно взорвется. Посмотрим, какими факторами определяются коэффициен-ты k и k.

Первой величиной, определяющей k (или k), является среднее число нейтронов n, испускаемых в одном акте деления. Число зависит от вида горючего и от энергии падающего нейтрона. Возникшие при делении нейтроны замедляются, диффундируют на некоторое расстояние и поглощаются либо с делением, либо без него. В зависимости от свойств среды нейтроны успевают до поглощения замедлиться до различных энергий.

При наличии хорошего замедлителя основная масса нейтронов успевает замедлиться до тепловых энергий порядка 0,025 эВ. В этом случае цепная реакция называется медленной, или, что тоже самое, тепловой. При отсутствии специального замедлителя нейтроны успевают замедлиться лишь до энергий 0,1 – 0,4 МэВ, так как все делящиеся изотопы – тяжелые и поэтому замедляют плохо. Соответствующие цепные реакции называются быстрыми (подчеркнем, что эпитеты “быстрый” и “медленный” характери-зуют скорость нейтронов, а не скорость реакции). Цепные реакции, в кото-рых нейтроны замедляются до энергий от десятков до одного кэВ, называют-ся промежуточными.

При столкновении нейтрона с тяжелым ядром всегда возможен радиа-ционный захват нейтрона (n,). Этот процесс будет конкурировать с делением и тем самым уменьшать коэффициент размножения. Отсюда вытекает, что второй физической величиной, влияющей на коэффициенты k , k, является вероятность деления при захвате нейтрона ядром делящегося изотопа. Для одновременного учета как числа нейтронов на акт деления, так и вероятности радиационного захвата вводится коэффициент h, равный среднему числу вторичных нейтронов на один захват нейтрона делящимся ядром.

Цепная реакция может идти только при h > 1. Качество горючего тем выше, чем больше значение h. Качество ядерного горючего определяется его доступностью и коэффициентом h. В природе встречаются только три изотопа, которые могут служить ядерным топливом или сырьем для его получения. Это изотоп тория 232-Th и изотопы урана 238-U и 235-U. Из них первые два цепной реакции не дают, но могут быть переработаны в изотопы, на которых реакция идет. Изотоп 235-U сам дает цепную реакцию. В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Природный торий практически состоит только из одного изотопа 232-Th. Природный уран в основном состоит из изотопа 238U и только на 0,7 % из изотопа 235-U.

На практике крайне важен вопрос об осуществимости цепной реакции на естественной смеси изотопов урана, в которой на одно ядро 235-U прихо-дится 140 ядер 238-U. Расчеты показали, что цепная реакция на медленных нейтронах в принципе возможна на естественном уране. В принципе, потому что для реального осуществления цепной реакции надо уметь замедлять ней-троны с малыми потерями.