- •Примеры и задачи по ядерной физике
- •Список обозначений
- •1. Основные характеристики атомных ядер
- •Задача 1.1
- •Задача 1.2
- •Задача 1.3
- •Задача 1.4
- •Задача 1.5
- •Задача 1.6
- •Задача 1.7
- •Задача 1.8
- •Задача 1.9
- •Задача 1.10
- •Задача 1.11
- •Задача 1.12
- •Задача 1.13
- •Задача 1.14
- •Задача 1.15
- •Задача 1.16
- •Задача 1.17
- •Задача 1.18
- •Задача 1.19
- •Задача 1.20
- •Задача 1.21
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •2. Радиоактивные превращения ядер
- •2.1. Законы радиоактивного распада Задача 2.1
- •Задача 2.2
- •Задача 2.3
- •Задача 2.4
- •Задача 2.5
- •Задача 2.6
- •Задача 2.12
- •Задача 2.13
- •10,2 Ч,
- •Задача 2.14
- •Задача 2.15
- •Задача 2.16
- •Задача 2.17
- •Задача 2.18
- •2.2. Альфа- и бета-распады, γ-излучение ядер Задача 2.19
- •Задача 2.20
- •Задача 2.21
- •Задача 2.22
- •Задача 2.23
- •Задача 2.24
- •Задача 2.25
- •Задача 2.26
- •Задача 2.27
- •Задача 2.28
- •Задача 2.29
- •Задача 2.30
- •Задача 2.31
- •Задача 2.32
- •Задача 2.33
- •2.3. Статистика регистрации ядерного излучения Задача 2.34
- •Задача 2.35
- •Задача 2.36
- •Задача 2.37
- •Задача 2.38
- •Задача 2.39
- •Задача 2.40
- •Задача 2.41
- •Задача 2.42
- •Задачи для самостоятельного решения
- •3. Ядерные реакции
- •3.1. Законы сохранения в ядерных реакциях Задача 3.1
- •Задача 3.2
- •Задача 3.3
- •Задача 3.4
- •Задача 3.5
- •Задача 3.6
- •Задача 3.7
- •Задача 3.8
- •Задача 3.9
- •Задача 3.10
- •Задача 3.11
- •Задача 3.12
- •Задача 3.13
- •Задача 3.14
- •Задача 3.15
- •Задача 3.16.
- •3.2. Уровни ядер. Сечения и выходы ядерных реакций Задача 3.17
- •Задача 3.18
- •Задача 3.20
- •Задача 3.21
- •Задача 3.22
- •Задача 3.23
- •Задача 3.24
- •Задача 3.25
- •Задача 3.26
- •Задачи для самостоятельного решения
- •4. Взаимодействие нейтронов с ядрами
- •Задача 4.1
- •Задача 4.2
- •Задача 4.3
- •Задача 4.7
- •Задача 4.4
- •Задача 4.5
- •Задача 4.6
- •Задача 4.8
- •Задача 4.9
- •Задача 4.10
- •Задача 4.11
- •Задача 4.12
- •Задача 4.13
- •Задача 4.14
- •Задача 4.15
- •Задача 4.16
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •5. Деление и синтез ядер Задача 5.1
- •Задача 5.2
- •Задача 5.3
- •Задача 5.4
- •Задача 5.5
- •Задача 5.6
- •Задача 5.7
- •Задача 5.8
- •Задача 5.9
- •Задача 5.10
- •Задача 5.11
- •Задача 5.12
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Приложение
- •Некоторые свойства нуклидов
- •Нейтронные сечения для некоторых нуклидов
- •Постоянные делящихся нуклидов
- •Плотность некоторых веществ
- •Основные константы.
Задача 3.16.
Найти возможное значение спина основного состояния ядра 17О, возникающего в реакции срыва при взаимодействии дейтонов с ядрами16О, если известно, что орбитальный момент захватываемых нейроновln= 2. Сравнить результат со значением спина, который дает оболочечная модель ядра.
Решение. Предполагается, что в реакции срыва электрическое поле ядра ориентирует дейтон таким образом, что в момент наибольшего сближения ядра и дейтона, ближним к ядру оказывается нейтрон, который и захватывается ядром, а протон продолжает движение. Ядро16О является дважды магическим ядром, у которого заполнены как протонные, так и нейтронные 1sи 1роболочки. Поэтому спин ядра16О равен нулю. Захват нейтрона с образованиемосновногосостояния ядра17О может произойти, согласно оболочечной модели, только на нижний уровень 1d5/2, спин которого равен 5/2.
Согласно правилу сложения квантово-механических векторов, возможные значения спина ядра 17О могут принимать следующие значения:
I(17O) =I(16O) +ln+sn= 0 + 2 ±1/2 = 5/2 и 3/2.
Второе значение спина отвечает возбужденному уровню 1d3/2ядра17О, переход с которого в основное состояние должен сопровождаться испусканием магнитного дипольного γ-квантаM1, т. к. четность при этом переходе не изменяется.
3.2. Уровни ядер. Сечения и выходы ядерных реакций Задача 3.17
Найти Евозб– энергию возбуждения покоящегося ядра массойМ, которую оно может получить при захвате γ-кванта с энергиейЕγ.
Решение. Из закона сохранения импульса следует, что неподвижное ядро после поглощения γ-кванта начнет движение с кинетической энергией (см. (2.32.3))
,
а энергия возбуждения составит
.
Задача 3.18
О
пределитьЕвозб– энергию возбуждения ядра4Не,
возникшего в результате захвата протона
с кинетической энергией 2,0 МэВ покоящимся
ядром3Н.
Решение.Согласно формуле (3.4)
![]()
![]()
![]()
МэВ.
Задача 3.19
Какой минимальной кинетической энергией (Тn)minдолжен обладать нейтрон, чтобы в результате упругого рассеяния на ядре9Ве сообщить последнему энергию возбужденияЕвозб= 2,40 МэВ?
Решение. Запишем закон сохранения энергии для неупругого рассеяния:
-
Тn = Т2+Евозб,
(3.19.1)
где Т2– суммарная кинетическая энергия частиц после рассеяния;
и закон сохранения импульса:
-
,(3.19.2)
где
-
суммарный импульс частиц после рассеяния.
И
з
(3.19.1) следует, что минимальная величина
кинетической энергии (Тn)minналетающего нейтрона, необходимая для
возбуждения ядра мишени до заданной
величиныЕвозб,
определяется минимальным значением
кинетической энергииТ2,
которая, в свою очередь, определяется
минимально возможными величинами
импульсов
и
.
На рис. 3.19.1 графически изображен закон
сохранения импульса, из которого следует,
что минимальные величины импульсов
и
соответствуют движению частиц после
рассеяния вдоль первоначального
направления движения нейтрона. Для
этого случая после возведения в квадрат
уравнения (3.19.2), получим
|
|
(3.19.3) |
Подставив выражение (3.19.3) в (3.19.1) имеем окончательно
(Тn)min=
МэВ.
Задача 3.20
Найти кинетические энергии нейтронов, при которых сечения взаимодействия с ядрами 16О максимальны, если нижние уровни составного ядра17О соответствуют энергиям возбуждения 0,87; 3,00; 3,80; 4,54; 5,07 и 5,36 МэВ.
Р
ешение.
В предлагаемой задаче речь идет о
резонансном характере зависимости
сечения (рис. 3.20.1) ядерной реакции
радиационного захвата (n,γ)
от кинетической энергии нейтронов,
захватываемых ядром16О с образованием
возбужденного составного ядра17О*.
При захвате нейтрона ядром16О в
энергию возбуждения составного ядра17О может быть передана, согласно
(3.4), энергия
|
|
(3.20.1) |
Если эта энергия равна энергии Евозбодного из уровней возбуждения составного ядра, то реакция протекает наиболее вероятно и ее сечение резко возрастает. Поэтому
|
|
(3.20.2) |
Вычислим энергию связи нейтрона относительно составного ядра 17О:
|
|
(3.20.3) |
Из сравнения (3.20.3) и (3.20.1) следует, что
энергия возбуждения составного ядра
должна быть не меньше 4,14 МэВ. Следовательно,
первые три нижних уровня энергии
возбуждения ядра 17О: 0,87; 3,00 и 3,80
МэВ не могут быть связаны с захватом
нейтрона ядром16О, а являются
вращательными уровнями (ядро17О
имеет сплюснутую форму, т.к. его
квадрупольный моментQ< 0) и заселяются другим образом,
например, при захвате γ-кванта. Вычисления
кинетической энергииТnнейтронов по формуле (3.20.2) для энергий
возбуждения 4,54; 5,07 и 5,36 МэВ и
4,14
МэВ дают следующие результаты: 0,34; 0,99 и
1,30 МэВ.
