51. Ядерные реакции и законы сохранения. Основные типы ядерных реакций

Ядерные реакции ~ это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с ^-квантами) или друг с другом. наиболее распространенный вид яд.реакцииX+a=Y+b,или X(a,b)Y

где X и Y — исходное и конечное ядра; аи Ь — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы. Эффективное сечение ядерной реакции( 'эффективность взаимодействия) G(сигма)

G=dN/nNdx где N— число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, имеющего в единице объема пядер; dN— число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx

Единица эффективного сечения ядерных процессов — барн (1 барн = = 10^-28 м2).

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения зарядовых и массовых чисел: сумма зарядовых чисел (и сумма массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых чисел (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса

ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии), так и эндотермическими (с поглощением энергии).

яд.реакции протекают в две стадии(Н.Бор)

X+a=C=Y+b

Первая стадия — это захват ядром X частицы а, приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных сил (примерно 2 • 10~15 м), и образование промежуточного ядра С, называемого составным (или компаунд-ядром).

возможна вторая стадия ядерной реакции — распад составного ядра на ядро Y и частицу b.

характерное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра (d~10^-15 м).

Некоторые реакции протекают без образования составного ядра, они называются прямыми ядерными взаимодействиями (например, реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).

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, а-частиц); реакции под действием ^-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 ^f-квантов и заряженных частиц (протоны, а-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

52.явление искусственной радиоактивности. реакция деления атомных ядер.

Искусственная радиоактивность- радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях Ядра тяжелых элементов могут делиться на ядра меньшей массы при внешнем воздействии В 1938 году немецкие ученые (Отто Ган и Франц Штрассман) наблюдали деление ядра урана В результате реакции деления ядра урана образуется ядра меньшей массы (осколки) и два или три нейтрона

Почему для деления используют нейтроны? Использование нейтронов обусловлено их электронейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Захват нейтрона нарушает стабильность ядра. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности – делению на осколки 92U

Энергетический выход реакции – энергия, выделяющаяся при делении одного ядра Реакция деления ядер урана сопровождается выделением значительной энергии.реакциии деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц, делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Например, при делении ядра урана (92^235)U

(92^235)U+(0^1)n=(54^139)Xe+(38^95)Sr+2(0^1)n осколок деления (54^139)Хе в результате трех актов (бета~-распада превращается в стабильный изотоп лантана (57^139)La

-бета -бета -бета

(54^139)Xe=(55^139)Cs=(56^139)Ba=(57^139)La

еще одна реакция деления урана, т.к осколки могут быть разнообразны их несколько

(92^235)U+(0^1)n=(56^139)Ba+(36^94)Kr+3(0^1)n

В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена капельная модель ядра .Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движение, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.

Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана (92^238)U, тория (90^232)Th, протактиния (91^231)Ра и плутония (94^239)Pu. Тепловыми нейтронами делятся ядра (92^235)U, (94^239)Pu и (92^233)U, (90^230)Th(два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусственным путем). Например, изотоп (92^233)U получается в результате радиационного захвата нейтронов ядром (90^232)Th

(90^232)Th+(0^1)n=(90^233)Th=(91^233)Pa=(92^233)U

Билет 53.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деле­ния, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реак­ции, в которой частицы, вызывающие ре­акцию, образуются как продукты этой ре­акции. Цепная реакция деления характе­ризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необхо­димым условием для развития цепной ре­акции деления является требование k1.

Не все образующие­ся вторичные нейтроны вызывают после­дующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размноже­ния. 1) из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где проис­ходит цепная реакция) и большой про­никающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. 2)часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. 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, dN/dt=N(k-1)/T (266.1)

Интегрируя (266.1), получим N=N₀e^(k-1)t/T,

где No — число нейтронов в начальный момент времени, а N —их число в момент времени t. N определяется знаком (k-1). При k>1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реак­ция может стать взрывной. При k=1 идет самоподдерживающаяся реакция, при ко­торой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухаю­щая реакция.

Цепные реакции делятся на управляе­мые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядер­ных реакторах. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления, называются ядерными реакторами. Ядерные реакторы различаются:

1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теплоноситель); в качестве делящихся и сырьевых веществ

используются ²³⁵₉₂U, ²³⁹₉₄Pu, ²³³₉₂U, ²³⁸₉₂U, ²³²₉₀Th, в качестве замедлителей — вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий и т.д.

2) по характеру размещения ядерного

топлива и замедлителя в активной зоне: гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков);

3) по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах; в послед­них используются нейтроны деления и замедлитель вообще отсутствует);

4) по типу режима (непрерывные и им­пульсные);

5) по назначению (энергетические, ис­следовательские, реакторы по производст­ву новых делящихся материалов, радио­активных изотопов и т.д.).

54.

Управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция. Однако она может идти лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. При этом возникает проблема - трудно удержать плазму