Reakcje jądrowe są klasyfikowane według typu. Klasyfikacja i mechanizmy reakcji jądrowych

Turchina N.V. Fizyka w problemach dla kandydatów na uczelnie - M.: Onyx, 2008. - 768 s.
ISBN 978-5-94666-452-3
Pobierać(link bezpośredni) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Poprzedni 1 .. 157> .. >> Następny

20.5.7. Przy rezonansowym wychwytywaniu neutronu przez izotop uranu 292U powstaje radioaktywny izotop uranu 239U. Ulega rozpadowi P i zamienia się w izotop transuranowego pierwiastka neptun 2 ^ Np. Neptun jest P-radioaktywny i konwertuje

Jest przekształcany w pluton 94Pu, który odgrywa ważną rolę w pozyskiwaniu energii jądrowej. Zapisz opisane reakcje jądrowe.

20.5.8. Większość reakcji jądrowych może przebiegać na kilka sposobów, zwanych „kanałami reakcji”. Na przykład, gdy izotop litu 7Ll zostanie napromieniowany protonami,

398
Wędrowanie: a) dwa identyczne jądra; b) jądro izotopu berylu Be i neutron. Zapisz reakcje wskazanych „kanałów reakcji”.

20.5.9. Wpisz brakujące oznaczenia w następujących reakcjach:

h 27 .., 1А„, 4ТТ ... 56--, А„ 56„, 1

a) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; b) 25MP+zX^26Fe+0n;

1 22 4 27 26

c) ZX + iH^nNa + 2He; d) 13Al+Y^12Mg+zx*

20.5.10. Pierwiastek rutherford został otrzymany przez napromieniowanie plutonu

94Pu jądra neonu 10Ne. Napisz reakcję, jeśli wiadomo, że poza nią powstają jeszcze cztery neutrony.

20.6. Energia reakcji jądrowej

20.6.1. Określ energię reakcji jądrowej 3Li + 1H ^ ^ 24He.

20.6.2. Definiować efekty termiczne następujące reakcje:

a) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; b) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

c) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n; d) 80 + 1 d^ 7N + 2a.

20.6.3. Jaka jest minimalna energia, jaką powinna mieć cząstka a a

dla reakcji jądrowej 3Li + 2He ° 5B + 0n?

20.6.4. Znajdź energię kwantu Y emitowanego przez jądro

23 reakcje 1H + n^ 1H + Y.

20.6.5. Eksplozja bomba wodorowa zachodzi termojądrowa reakcja tworzenia atomów helu 4He z deuteru 1n i trytu 1n.

Napisz reakcję jądrową i określ jej produkcję energetyczną.

20.6.6. Wyznacz energię reakcji jądrowej 4Be + 1H ^

^ 14Be + ^ H. Jaka energia zostanie uwolniona, kiedy pełna reakcja beryl o wadze m = 1 g?

20.6.7. Reakcja termojądrowa 1h + 2He ^ 4He + ^ p przebiega z uwolnieniem energii E1 = 18,4 MeV. Jaka energia zostanie uwolniona w

reakcja 3He + 2He^!He + 2^, jeśli defekt masy jądra 2He na

Am = 0,006 amu więcej niż jądra 1H?

399
20.6.8. Korzystając z definicji energii wiązania, wykaż, że energię potrzebną do rozszczepienia jądra C na jądra A i B można przedstawić jako: Eab = Ec - (Ea + Eb), gdzie Ea, Eb, Ec są energiami wiązania odpowiednie jądra. Określ energię potrzebną do rozdzielenia jądra tlenu 16O na cząstkę a i jądro węgla 12C. Energie wiązania: E16 ^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12 ^ =

92,16 MeV.

20.6.9. W reakcji 3Li + 1H ^ 3Li + 1p uwalniana jest energia Q = 5,028 MeV. Energia wiązania jądra litu wynosi E1 = 39,2 MeV, deuteru E2 = 1,72 MeV. Określ masę jądra litu.

20.6.10. Podczas rozszczepiania jąder o specyficznej energii wiązania = 8,5 MeV/jądro powstają dwa fragmenty - jeden o liczbie masowej Ai = 140 i specyficznej energii wiązania = 8,3 MeV/jądro, drugi o liczbie masowej A2 = 94 i specyficzna energia wiązania є2 = = 8,6 MeV. Oszacuj ilość ciepła, która zostanie uwolniona podczas dzielenia masy m = 1 g pierwotnych jąder. Liczba tr = mn =

1,6724 10-27 kg.

20.6.11. Zakładając, że w jednym akcie rozszczepienia jądra uranu 235U uwalniana jest energia Eo = 200 MeV, wyznacz energię uwalnianą podczas spalania m = 1 kg uranu oraz masę węgla mi, równoważną w stosunku cieplnym do 1 kg uranu .

20.06.2012. Rozszczepienie jądra uranu 235U uwalnia energię Q = 200 MeV. Jaką część pozostałej energii uranu stanowi energia uwolniona?

20.6.13. Określ masowe natężenie przepływu paliwa jądrowego 235U w reaktorze jądrowym elektrowni jądrowej. Moc cieplna elektrowni P = 10 MW; jego sprawność wynosi n = 20%. Energia uwalniana podczas jednego aktu rozszczepienia wynosi Q = 200 MeV.

20.06.2014. Znajdź moc elektrowni jądrowej, która zużywa m = 220 g izotopu uranu 235U dziennie i ma sprawność n = 25%. Załóżmy, że w jednym akcie rozszczepienia uwalniana jest energia 235U Q = 200 MeV.

20.6.15. Do stopienia aluminium wykorzystywana jest energia uwalniana podczas rozpadu pozytonu P izotopów węgla 11C, przy czym każde jądro węgla emituje jeden pozyton. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Ile węgla 1I1C jest potrzebne do

wykonywanie topienia M = 100 ton aluminium przez і = 30 minut, jeśli początkowa temperatura aluminium wynosi 0о = 20 ° С?

20.6.16. Sód i Na ważące m = 10 g, doświadczające rozpadu elektronowego P, umieszcza się w ampułce w zbiorniku zawierającym

400
M = 1000 ton wody. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Okres po

czas rozpadu sodu T = ^ dni. O ile stopni wzrośnie temperatura wody w pierwszym dniu od początku rozkładu sodu?

20.06.2017. Polon 84P0 rozpada się z emisją cząstki alfa

oraz tworzenie jąder ołowiu. Produkty rozpadu nie są radioaktywne. Okres półtrwania polonu T = 140 dni. Jaką masę lodu pobraną w temperaturze 0=0°C można stopić wykorzystując energię uwalnianą podczas rozpadu m=10 g polonu w czasie t=35 dni?

20.7. Reakcje jądrowe i prawa zachowania

20.7.1. Spoczynkowe jądro polonu 84P0 wyrzuciło cząstkę a o energii kinetycznej Ek = 5,3 MeV. Określ energię kinetyczną jądra odrzutu i całkowitą energię uwalnianą podczas rozpadu a.

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych podczas interakcji z cząstkami elementarnymi (w tym kwantami y) lub ze sobą. Najczęstszym rodzajem reakcji jądrowej jest reakcja, zapisana symbolicznie w następujący sposób:

gdzie X i Y są jądrami początkowymi i końcowymi, ale oraz b- bombardowanie i wyemitowane (lub wyemitowane) cząstki w reakcji jądrowej.

W każdej reakcji jądrowej spełnione są prawa zachowania liczb ładunkowych i masowych: suma opłat (masywny) liczba jąder i cząstek wchodzących w reakcję jądrową jest równa sumie liczby ładunków (mas) produktów końcowych (jąder i cząstek) reakcji... Wykonywane również prawa zachowania energii, pędu oraz moment pędu.

W przeciwieństwie do rozpadu radioaktywnego, który zawsze zachodzi wraz z uwolnieniem energii, reakcje jądrowe mogą być zarówno egzotermiczne (z uwolnieniem energii), jak i endotermiczne (z absorpcją energii).

Ważną rolę w wyjaśnieniu mechanizmu wielu reakcji jądrowych odegrało założenie N. Bohra (1936), że reakcje jądrowe przebiegają dwuetapowo według następującego schematu:

Pierwszym etapem jest wychwycenie cząstki a przez jądro X, które zbliżyło się do niej na odległość działania siły nuklearne(około 2 10 15 m) i utworzenie rdzenia pośredniego C, zwanego kompozytem (lub rdzeniem złożonym). Energia cząstki, która wleciała do jądra, jest szybko rozdzielana między nukleony jądra złożonego, w wyniku czego pojawia się ona w stanie wzbudzonym. W zderzeniu nukleonów jądra złożonego jeden z nukleonów (lub ich kombinacja, na przykład deuteron - jądro ciężkiego izotopu wodoru - deuteru, zawierający jeden proton i jeden neutron) lub cząstka cx energia wystarczająca do ucieczki z jądra. W rezultacie możliwy jest drugi etap reakcji jądrowej - rozpad jądra złożonego na jądro Y i cząstkę B.

Klasyfikacja reakcji jądrowych

Ze względu na charakter cząstek biorących udział w reakcjach:

• reakcje pod wpływem neutronów;
• reakcje wywołane przez naładowane cząstki (np. protony (cząstki X).

Przez energię cząstek wywołujących reakcje:

• reakcje przy niskich energiach (rzędu eV), zachodzące głównie z udziałem neutronów;
• reakcje przy średnich energiach (kilka MeV) z udziałem cząstek kwantowych i naładowanych;
• reakcje przy wysokich energiach (setki i tysiące MeV), prowadzące do powstania stanu nieobecnego w stanie wolnym cząstki elementarne i mając bardzo ważne studiować je.

Z natury jąder biorących udział w reakcjach:

• reakcje na lekkie jądra (A 50);
• reakcje na średnich jądrach (50 A
• reakcje na ciężkich jądrach (A> 150).

Ze względu na charakter zachodzących przemian jądrowych:

• reakcje z emisją neutronów;
• reakcje z emisją naładowanych cząstek. Pierwsza w historii reakcja jądrowa (Rutherford; 1919)

11.1. Definicja i klasyfikacja reakcji jądrowych. Istnieją różne interpretacje tego terminu reakcje jądrowe... W szerokim znaczeniu reakcja jądrowa to dowolny proces, który rozpoczyna się od zderzenia dwóch, rzadko kilku cząstek (prostych lub złożonych) i przebiega z reguły z udziałem oddziaływań silnych. Ta definicja jest spełniona i reakcje jądrowe w wąskim znaczeniu tego słowa, które są rozumiane jako procesy, które rozpoczynają się zderzeniem prostej lub złożonej cząstki (nukleonu, α- cząstka, kwant γ) z jądrem. Zauważ, że definicja reakcji jest spełniona, jako przypadek szczególny, i rozproszenia cząstek. Poniżej przedstawiono dwa przykłady reakcji jądrowych.

Historycznie, pierwsza reakcja jądrowa (Rutherford, 1919 – odkrycie protonu):

α + 14 N → 17 O + R.

Odkrycie neutronu (Chadwick, 1932):

α + 9 Bb → 12 C + n.

Badanie reakcji jądrowych jest niezbędne do uzyskania informacji o właściwościach nowych jąder i cząstek elementarnych, stanach wzbudzonych jąder itp. Nie należy zapominać, że w mikroświecie, ze względu na istnienie praw kwantowych, nie można „patrzyć” na cząstkę lub jądro. Dlatego główną metodą badania mikroobiektów jest badanie ich zderzeń, czyli reakcji jądrowych. W ujęciu praktycznym reakcje jądrowe są potrzebne do wykorzystania energii jądrowej, a także do produkcji sztucznych radionuklidów.

Reakcje jądrowe mogą zachodzić naturalnie (na przykład we wnętrzach gwiazd lub w promieniowaniu kosmicznym). Ale ich badania są zwykle prowadzone w warunkach laboratoryjnych, w obiektach doświadczalnych. Aby zaszły reakcje jądrowe, konieczne jest zbliżenie cząstek lub jąder do jąder na odległości rzędu promienia działania sił jądrowych. Zbliżaniu się naładowanych cząstek z jądrami zapobiega bariera kulombowska. Dlatego do przeprowadzania reakcji jądrowych na naładowanych cząstkach wykorzystuje się akceleratory, w którym cząstki, przyspieszając w polu elektrycznym, pozyskują energię niezbędną do pokonania bariery. Czasami energia ta jest porównywalna z energią spoczynkową cząstki lub nawet ją przekracza: w tym przypadku ruch jest opisany prawami mechaniki relatywistycznej. W konwencjonalnych akceleratorach ( akcelerator liniowy, cyklotron itp.), cięższa z dwóch zderzających się cząstek z reguły spoczywa, a lżejsza wlatuje w nią. Cząstka spoczynkowa nazywa się cel (język angielski- cel). Swoopers, lub bombardowanie, cząstki w języku rosyjskim nie otrzymały specjalnej nazwy (in język angielski używany jest termin pocisk - pocisk). W akceleratorach wiązek zderzeniowych ( zderzacze) obie zderzające się cząstki poruszają się, tak że rozdzielenie na cel i wiązkę padających cząstek staje się bezsensowne.

Energia naładowanej cząstki w reakcji może być mniejsza niż wysokość bariery kulombowskiej, jak miało to miejsce w klasycznych eksperymentach J. Cockcrofta i E. Waltona, którzy w 1932 r. sztucznie rozszczepili jądra litu bombardując je przyspieszonymi protonami . W ich eksperymentach penetracja protonu do jądra docelowego nastąpiła poprzez tunelowanie przez barierę potencjału kulombowskiego (patrz Wykład 7). Prawdopodobieństwo takiego procesu jest oczywiście bardzo małe ze względu na niską przezroczystość bariery.

Istnieje kilka sposobów symbolicznego rejestrowania reakcji jądrowych, z których dwa podano poniżej:

Zbiór zderzających się cząstek w określonym stanie kwantowym (na przykład r i 7 Li) są nazywane kanał wejściowy reakcja nuklearna. W przypadku zderzeń tych samych cząstek (stały kanał wejściowy) w ogólnym przypadku mogą pojawić się różne produkty reakcji. Tak więc w zderzeniach protonów z 7 Li reakcje 7 Li ( P, 2α), 7 Li ( P, n) 7 Be, 7 Li ( P, D) 6 Be itd. W tym przypadku mówi się o procesach konkurencyjnych, czyli zbiorze kanały wyjściowe.

Reakcje jądrowe są często zapisywane w jeszcze krótszej formie: ( a, b) - tj. wskazując tylko cząstki światła, a nie wskazując na jądra uczestniczące w reakcji. Na przykład rekord ( P, n) oznacza wybicie neutronu z jądra przez proton, ( n, γ ) Czy absorpcja neutronu przez jądro z emisją γ -ilościowe itp.

Klasyfikacja reakcji jądrowych można przeprowadzić na następujących podstawach:

I. Według rodzaju toczącego się procesu

1) wychwytywanie promieniowania: ( n, γ ), (P, γ )

2) jądrowy efekt fotoelektryczny: ( γ , n), (γ , P)

3) reakcje nukleon-nukleon:

a) wybicie nukleonu lub grupy nukleonów ( n,P), (P, a) itp.

b) „odparowanie” nukleonów ( P, 2n), (P, 2P) itp.

c) zakłócenia ( D,P), (D,n) i odbiór ( P,D), (n,D)

4) podział: ( n, F), (P, F), (γ , F)

5) synteza (fuzja)

6) rozpraszanie nieelastyczne: ( n,n ')

7) rozpraszanie elastyczne: ( n,n)

II. Na podstawie uwalniania lub pochłaniania energii

1) reakcje egzotermiczne

2) reakcje endotermiczne

III. Dzięki energii bombardujących cząstek

1) niskie energie (< 1 кэВ)

2) średnie energie (1 keV-10MeV)

3) wysokie energie (> 10 MeV)

IV. Według masy bombardowanych jąder

1) na jasnych jądrach ( ALE < 50)

2) na jądrach o średnich masach (50<ALE < 100)

3) na ciężkich jądrach ( ALE > 100)

V. Według rodzaju bombardujących cząstek

1) na naładowanych cząstkach ( P, D, α i cięższe jony)

2) na neutronach

3) na fotonach (reakcje fotojądrowe)

11.2. Prawo zachowania energii. Dla reakcji jądrowej najbardziej ogólnego typu

A + b → C+ D + E + ...

spisujemy prawo zachowania energii przez energię spoczynkową i kinetyczną:

Ilość Q, zdefiniowana jako różnica w energiach spoczynkowych:

zwany energia reakcji... To oczywiste, że

Jeśli Q> 0, wtedy taka reakcja nazywa się egzotermiczny... W tym przypadku Q Czy różnica w energiach kinetycznych wszystkich uczestników reakcji przed i po ekspansji jest określona w układzie współrzędnych związanym ze środkiem bezwładności (SDI, lub c-system). Reakcja egzotermiczna może zachodzić przy dowolnej wartości energii kinetycznej zderzających się cząstek, w tym zero.

Jeśli Q < 0, то реакцию называют endotermiczny... Reakcja odwrotna do reakcji egzotermicznej jest zawsze endotermiczna i odwrotnie. Ilość - Q w c-system Jest minimalną energią kinetyczną zderzających się cząstek, przy której reakcja jest jeszcze możliwa, lub próg reakcje.

Przy przejściu na laboratoryjny układ współrzędnych (rys.11.1), LSC lub po prostu l-system, w której jedna z reagujących cząstek znajduje się w spoczynku – celem jest wartość progu reakcji E od wzrasta, ponieważ część energii kinetycznej jest zużywana na ruch środka bezwładności, który jest bezużyteczny dla reakcji. Rzeczywiście, energia kinetyczna ruchu środka bezwładności może być dowolnie duża, ale jeśli cząstki pozostają względem siebie w spoczynku, reakcja nie będzie przebiegać.

Aby określić próg reakcji w l-system wykorzystamy fakt, że masa, a co za tym idzie energia spoczynkowa to niezmienny, tj. ilość, która nie zależy od wyboru układu współrzędnych. NS , to dla dowolnej liczby cząstek

Jeśli celem w rozważanej reakcji jest cząstka W wtedy w l-system

W c-system

Jak wspomniano powyżej, próg przy c-system odpowiada tworzeniu cząstek Z, D itp. o zerowych energiach kinetycznych, tj. itp. oraz ... niezmiennik masy w l-system

Niezmiennik masy odpowiadający progowi w c-system

Jeśli teraz zrównamy dwa otrzymane niezmienniki w, wtedy

. (11.3)

Zatem próg reakcji endotermicznej jest zawsze większy niż energia odwrotnej reakcji egzotermicznej Q... Jak widać z otrzymanego wyrażenia, próg reakcji endotermicznej jest niższy, więcej masy cel.

11.3. Rola orbitalnego momentu pędu. Moment pędu cząstki z pędem r incydent na nieruchomym jądrze jest równy pb, gdzie b- parametr obserwacji. Zgodnie z klasycznymi koncepcjami reakcja może wystąpić tylko w tych przypadkach, gdy ten parametr uderzenia jest mniejszy niż promień działania sił jądrowych, tj. b < r... W mechanice kwantowej wartość orbitalnego momentu pędu

(- długość fali de Broglie). Wtedy nierówność musi zostać zaspokojona

. (11.4)

Dla neutronu z energią T= 1 MeV, tj. porównywalny z rozmiarem rdzenia. Dla neutronów i protonów o niższych energiach jest znacznie wyższy. Zatem dla cząstek o niskich i średnich energiach nierówność (11.4) jest spełniona, ściśle mówiąc, tylko pod warunkiem ja= 0 (rzadziej w ja = 1).

Biorąc pod uwagę kwantowe właściwości układu, reakcja jest w zasadzie możliwa dla każdego ja, ale prawdopodobieństwo reakcji gwałtownie spada, jeśli zależność (11.4) nie jest spełniona. Powodem jest to, że neutrony w tym przypadku muszą pokonać barierę odśrodkową. Jednak, jak pokazano, rozważając emisję kwantów γ przez jądra (Wykład 9), współczynnik przezroczystości bariery odśrodkowej

,

te. spada gwałtownie wraz ze wzrostem ja... Jeśli aproksymacja długofalowa przestaje być spełniona (tj. bombardujące cząstki mają bardzo wysokie energie), interakcja jest również możliwa z ja niezerowe.

11.4. Przekrój i wydajność reakcji jądrowej. Ilościowy opis reakcji jądrowych z punktu widzenia mechanika kwantowa może tylko statystyczny, tj. takie, w których w zasadzie można mówić tylko o prawdopodobieństwie samego aktu reakcji.Główne probabilistyczne cechy reakcji jądrowych to: Sekcja oraz Wyjście, które są zdefiniowane poniżej. Niech, gdy strumień cząstek opadnie ALE na cienkim (ale makroskopowym) celu zawierającym jądra W, tworzy się DN CN rdzenie Z(rys.11.2). Ta liczba jest proporcjonalna do liczby cząstek ALE, gęstość liczby cząstek docelowych n B(m –3) i docelowa grubość dx(m):

.

Przekrój reakcje ALE + W → Z+ ... definiuje się wtedy jako współczynnik proporcjonalności, tj.

, (11.5)

Z definicji (11.5) wynika, że ​​odcinek ma wymiar powierzchni (m2). W fizyce jądrowej 1 jest używane jako jednostka przekroju. stodoła: 1 b = 10 –28 m 2.

Przekrój można jednoznacznie uznać za efektywny obszar docelowy, w którym cząsteczka powoduje wymaganą reakcję. Ale ze względu na właściwości falowe cząstek ta interpretacja ma ograniczony obszar zastosowania. Rzeczywiście, z punktu widzenia mechaniki kwantowej dla cząstki istnieje niezerowe prawdopodobieństwo przejścia bez odchylenia przez obszar, w którym działają na nią siły. Wtedy rzeczywisty przekrój reakcji okazuje się być mniejszy niż przekrój regionu, w którym zachodzi interakcja. W tym przypadku, przez analogię z optyką, nazywa się jądro docelowe częściowo przezroczysty, lub szary.

W rzeczywistych eksperymentach fizycznych nie zawsze jest możliwe zmierzenie przekroju reakcji. Bezpośrednio mierzona ilość to Wyjście reakcja, zdefiniowana jako frakcja cząstek wiązki, które przereagowały z docelowymi jądrami. Wyraźmy wydajność reakcji przez jej przekrój, pod warunkiem, że ta ostatnia pozostaje stała w miarę przechodzenia cząstek padających przez tarczę. Liczba rdzeni Z powstały w cienkiej warstwie docelowej w wyniku reakcji z cząsteczkami ALE, równa się

,

gdzie n 0 - całkowita liczba cząstek ALE złapany w grubej warstwie dx, N A- liczba cząstek, które przeszły przez warstwę bez reakcji. Stąd ... Następnie, zgodnie z (11.5),

Liczba cząstek ALE przechodząc przez docelową warstwę o skończonej grubości h, znajdujemy całkując to równanie:

,

Korzystając z definicji wydajności reakcji jako frakcji cząstek, które uległy transformacji, stwierdzamy, że

Cienki cel odpowiada małemu wykładnikowi w porównaniu z jednym. W tym przypadku rozwinięcie (11.6) w szeregu Taylora daje

11.5. Mechanizmy reakcji jądrowych. Oprócz klasyfikacji podanej w punkcie 11.1., reakcje jądrowe różnią się czasem, a tym samym mechanizmem ich występowania. Jako skalę czasu wygodnie jest użyć czasu jądrowego - czasu przelotu cząstki przez jądro: τ i = 2r/v≈ 10 –22 s (s. 2.2). To oczywiste, że τ trucizna- minimalny czas potrzebny do wykonania elementarnego aktu najszybszej reakcji.

Posłużymy się następującą klasyfikacją reakcji według mechanizmu ich występowania. Jeśli czas aktu elementarnego tp ≈ τ trucizna takie reakcje nazywają się proste... W przypadku reakcji bezpośrednich cząsteczka a przenosi energię na jeden lub więcej nukleonów jądra A, po czym natychmiast opuszczają rdzeń, nie mając czasu na wymianę energii z resztą:

a + A → b + b.

Jeśli tp >> τ trucizna, następnie reakcja przechodzi przez etap formowania rdzeń złożony:

a + A → Z* → b + b.

Pojęcie jądra złożonego zostało wprowadzone do fizyki przez N. Bohra w 1936 roku. Jądro złożone Z*- stan wzbudzony jądra Z i energia wzbudzeniaitation

(11.7)

gdzie T a- energia kinetyczna cząstki ale,Wa- energia jego oddzielenia od jądra Z... Energia wzbudzenia jest podzielona między ALE+ ale nukleony jądra złożonego, a średnio jest

. (11.8)

Tak więc każdy z nukleonów z osobna ma niewystarczającą energię do ucieczki. W wyniku wielu zderzeń cząstka ale„Zaplątuje się” w rdzeń i traci swoją indywidualność. Dopiero po chwili tp>> τ trucizna w wyniku losowej redystrybucji energii wystarczająca jej ilość może skoncentrować się na jednym z nukleonów (lub grupie nukleonów). W tym przypadku nukleon (grupa nukleonów) opuszcza jądro złożone - następuje jego rozpad.

Przybliżony szacunek średniego czasu życia jądra złożonego Z* następująco. Załóżmy, że zaraz po zderzeniu cząstek następuje rozkład n kwanty energii wzbudzenia pomiędzy F jednonukleonowe stopnie swobody. Całkowita liczba możliwych dystrybucji wynosi

. (11.9)

Wyprowadzenie wzoru (11.9) można zilustrować następującym wykresem poglądowym: - rozkład n Quanta-crosses by F komórki oddzielone od siebie F minus jedna kreska. Całkowita liczba permutacji (tj. Całkowita liczba stanów systemu) wszystkich krzyżyków i wszystkich kresek wynosi ( n+ F - jeden)! Jednak permutacje tylko krzyżyków i tylko myślników, których liczby są równe n! oraz ( F - jeden)! w związku z tym nie prowadzą do nowych państw. W rezultacie rzeczywista liczba stanów okazuje się być n!(F - jeden)! razy mniej.

Załóżmy dalej dla uproszczenia rozumowania, że ​​reakcja emisji nukleonu zachodzi pod działaniem cząstek niskoenergetycznych, tak że E * ≈ Wa... Następnie, aby reakcja przebiegała, konieczne jest skoncentrowanie wszystkich n kwanty na stopień swobody, liczba stanów w tym przypadku jest po prostu równa F... Nastawienie w = F/g i określi prawdopodobieństwo ucieczki nukleonu z jądra złożonego, tj. reakcje.

Energia wiązania nukleonu z jądrem wynosi średnio około 8 MeV. Wielkość kwantu wzbudzenia wynosi około 0,5 MeV. Następnie n= 8 MeV / 0,5 MeV = 16. Biorąc pod uwagę, że w wyniku reakcji oderwanie się nukleonu tylko od powłoki zewnętrznej jest najbardziej prawdopodobne, możemy przyjąć F ≈ n... Zastępując to (11.9), stwierdzamy, że

Do n= 16 mamy w= 5 ∙ 10 -8. Zmiany stanu rdzenia zachodzą z częstotliwością 1/ τ trucizna, dlatego stała rozpadu jądra złożonego wynosi λ С * = w /τ trucizna, a przeciętny czas życia τ С * = 1/λ С *- około 10-14 s. Tak bardzo τ С *>> τ trucizna.

Można zauważyć, że jądro złożone nie różni się zasadniczo od jądra radioaktywnego. Stara się również tracić energię w wyniku dowolnego procesu możliwego w danych warunkach. Jeden z takich procesów (abstrakcja nukleonowa) został już omówiony powyżej. W przypadku jądra złożonego może istnieć jednocześnie kilka kanałów rozpadu. Ponadto przejście do stanu podstawowego może nastąpić w wyniku emisji kwantu γ (reakcja ta nazywa się wychwytywanie promieniowania). Emisja kwantów γ przez jądro następuje pod działaniem sił elektromagnetycznych, tj. w nuklearnej skali czasu jest również dość powolny (po 10 –11 –10 –7 s – patrz punkt 9.3). W ten sposób reakcje wychwytywania promieniowania przechodzą również przez jądro złożone.

Przekrój reakcji przechodzącej przez jądro złożone można zapisać w postaci

, (11.11)

gdzie w b- prawdopodobieństwo rozpadu jądra złożonego na kanale b, oraz

Nazywa się zależność przekroju dla reakcji jądrowej od energii kinetycznej padających cząstek funkcja wzbudzenia.

Podobne informacje.

W ogólna perspektywa oddziaływanie jądrowe można zapisać w postaci:

Najczęstszym rodzajem reakcji jądrowej jest oddziaływanie cząstki lekkiej a z rdzeniem x, w wyniku czego powstaje cząstka b i rdzeń Tak... Jest to napisane symbolicznie w następujący sposób:

Rola cząstek a oraz b najczęściej wykonują neutron n, proton P, deuteron D, cząstki α i kwanty γ.

Proces (4.2) zwykle przebiega niejednoznacznie, ponieważ reakcja może przebiegać na kilka konkurencyjnych sposobów, tj. cząstki powstałe w wyniku reakcji jądrowej (4.2) mogą być różne:

.

Czasami nazywa się różne możliwości reakcji jądrowej w drugim etapie kanały reakcji... Początkowy etap reakcji nazywany jest kanałem wejściowym.

Ostatnie dwa kanały reakcji odnoszą się do przypadków nieelastycznych ( 1 + a) i elastyczny ( A + a) rozpraszanie jądrowe. Te szczególne przypadki oddziaływania jądrowego różnią się od innych tym, że produkty reakcji pokrywają się z cząstkami wchodzącymi w reakcję, a przy rozpraszaniu elastycznym zachowany jest nie tylko typ jądra, ale także jego stan wewnętrzny, a w przypadku rozpraszania nieelastycznego zmienia się stan wewnętrzny jądra (jądro przechodzi w stan wzbudzony).

Rysunek 4.1. Uzależnienie jakościowe prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego z energii.

Podczas badania reakcji jądrowej interesujące jest zidentyfikowanie kanałów reakcji, porównawcze prawdopodobieństwo jej przechodzenia przez różne kanały przy różnych energiach padających cząstek. Jądra mogą znajdować się w różnych stany energetyczne ... Stan stabilnego lub radioaktywnego jądra, który odpowiada minimalnej energii (masie) E 0 nazwany głównym. Z mechaniki kwantowej wiadomo, że pomiędzy energią stanu a jego czasem życia jest Relacja Heisenberga: ΔE = ћ / Δt,

Wzbudzone jądra, doświadczanie Różne rodzaje przemiany energetyczne. Energia wzbudzenia może być uwalniana różnymi kanałami (przenoszenie jąder do stanu podstawowego): emisja kwantów γ, rozszczepienie jądra itp. Z tego powodu wprowadzono pojęcie częściowej szerokości poziomu ja... Częściowa szerokość poziomu rezonansowego to prawdopodobieństwo zaniku względem i kanał. Wtedy prawdopodobieństwo rozpadu w jednostce czasu wynosi ω można przedstawić jako:

.

Duże zainteresowanie budzi również rozkład energetyczny i kątowy powstałych cząstek oraz ich stan wewnętrzny (energia wzbudzenia, spin, parzystość, spin izotopowy).

Wiele informacji o reakcjach jądrowych można uzyskać dzięki zastosowaniu praw zachowania.

Więcej szczegółowych informacji na temat tej sekcji można znaleźć.

Ważną rolę w rozwoju idei budowy jąder odegrało badanie reakcji jądrowych, które dostarczyło obszernych informacji na temat spinów i parzystości stanów wzbudzonych jąder oraz przyczyniło się do opracowania modelu powłoki. Badanie reakcji z wymianą kilku nukleonów pomiędzy zderzającymi się jądrami umożliwiło badanie dynamiki jądrowej w stanie o dużym pędzie kątowym. W rezultacie odkryto długie wirujące paski, które posłużyły jako jeden z fundamentów do stworzenia uogólnionego modelu jądra. Kiedy zderzają się ciężkie jądra, powstają jądra, które nie istnieją w naturze. Synteza pierwiastków transuranowych opiera się w dużej mierze na fizyce oddziaływania ciężkich jąder. W reakcjach z ciężkimi jonami powstają jądra dalekie od pasma β-stabilności. Jądra odległe od pasma β-stabilności różnią się od jąder stabilnych innym stosunkiem oddziaływań kulombowskich i jądrowych, stosunkiem liczby protonów do liczby neutronów, istotną różnicą w energiach wiązania protonów i neutronów, co objawia się się w nowych typach rozpadu promieniotwórczego - promieniotwórczość protonów i neutronów oraz szereg innych specyficznych cech jąder atomowych.
Analizując reakcje jądrowe, należy wziąć pod uwagę falową naturę cząstek oddziałujących z jądrami. Falowy charakter procesu oddziaływania cząstek z jądrami wyraźnie przejawia się w rozpraszaniu sprężystym. Tak więc dla nukleonów o energii 10 MeV zredukowana długość fali de Broglie jest mniejsza niż promień jądra, a podczas rozpraszania nukleonów powstaje charakterystyczny wzór maksimów i minimów dyfrakcji. Dla nukleonów o energii 0,1 MeV długość fali jest większa niż promień jądra i nie ma dyfrakcji. Dla neutronów z energią<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Reakcje jądrowe są skuteczną metodą badania dynamiki jądrowej. Reakcje jądrowe zachodzą, gdy dwie cząstki wchodzą w interakcję. W reakcji jądrowej zachodzi aktywna wymiana energii i pędu między cząstkami, w wyniku której powstaje jedna lub więcej cząstek rozpraszających się z obszaru oddziaływania. W wyniku reakcji jądrowej zachodzi złożony proces restrukturyzacji jądra atomowego. Podobnie jak w opisie budowy jądra, w opisie reakcji jądrowych praktycznie niemożliwe jest uzyskanie dokładnego rozwiązania problemu. I tak jak strukturę jądra opisują różne modele jądrowe, tak przebieg reakcji jądrowej opisują różne mechanizmy reakcji. Mechanizm reakcji jądrowej zależy od kilku czynników – od rodzaju padającej cząstki, typu jądra docelowego, energii padającej cząstki oraz od szeregu innych czynników. Jednym z ograniczających przypadków reakcji jądrowej jest bezpośrednia reakcja jądrowa... W tym przypadku padająca cząstka przekazuje energię jednemu lub dwóm nukleonom jądra i opuszczają jądro bez interakcji z innymi nukleonami jądra. Charakterystyczny czas przebiegu bezpośredniej reakcji jądrowej wynosi 10 -23 s. Bezpośrednie reakcje jądrowe zachodzą na wszystkich jądrach przy dowolnej energii padającej cząstki. Do badania stanów jednocząstkowych jąder atomowych wykorzystuje się bezpośrednie reakcje jądrowe, ponieważ produkty reakcji niosą informacje o położeniu poziomów, z których wybijany jest nukleon. Za pomocą bezpośrednich reakcji jądrowych uzyskano szczegółowe informacje o energiach i obsadzeniu stanów jednocząstkowych jąder, które stanowiły podstawę modelu powłokowego jądra. Kolejnym ograniczającym przypadkiem są reakcje zachodzące tworzenie jądra złożonego.

Opis mechanizmu reakcji jądrowych podano w pracach W. Weisskopfa.

V. Weisskopf: „Co się dzieje, gdy cząstka wchodzi do jądra i zderza się z jednym ze składników jądra? Rysunek ilustruje niektóre z tych możliwości.
1) Spadająca cząstka traci część swojej energii, podnosząc cząstkę jądrową do wyższego stanu. Będzie to wynikiem nieelastycznego rozpraszania, jeśli padająca cząstka pozostanie z wystarczającą energią, aby ponownie opuścić jądro. Proces ten nazywa się bezpośrednim rozpraszaniem nieelastycznym, ponieważ obejmuje rozpraszanie tylko na jednej części składowej jądra.
2) Spadająca cząstka przenosi energię na ruch zbiorowy, jak symbolicznie pokazano na drugim schemacie rysunku, jest to również oddziaływanie bezpośrednie.
3) W trzecim schemacie rysunku przenoszona energia jest wystarczająco duża, aby wyciągnąć nukleon z tarczy. Proces ten przyczynia się również do bezpośredniej reakcji jądrowej. W zasadzie nie różni się od 1), odpowiada „reakcji wymiany”.
4) Opadająca cząstka może stracić tyle energii, że pozostaje związana wewnątrz jądra, przekazywana energia może zostać odebrana przez nisko położony nukleon w taki sposób, że nie może opuścić jądra. Otrzymujemy wówczas wzbudzone jądro, które nie może emitować nukleonu. Stan ten nieuchronnie prowadzi do dalszych wzbudzeń nukleonów przez zderzenia wewnętrzne, w których energia na wzbudzoną cząstkę spada średnio, tak że w większości przypadków nukleon nie może opuścić jądra. W konsekwencji zostanie osiągnięty stan o bardzo długim czasie życia, który może zapaść tylko wtedy, gdy jedna cząstka w zderzeniach wewnątrz jądra przypadkowo nabierze energii wystarczającej do opuszczenia jądra. Sytuację tę nazywamy formowaniem się jądra złożonego. Energia może również zostać utracona przez promieniowanie, po czym emisja cząstki staje się energetycznie niemożliwa: padający nukleon zostanie przechwycony przez promieniowanie.
5) Tworzenie jądra złożonego może odbywać się w dwóch lub więcej krokach, jeśli po procesie typu 1) lub 2) padający nukleon uderzy w inny po drodze nukleon i wzbudzi go w taki sposób, że wydostanie się z jądra jest niemożliwe dla żadnego nukleonu.

Po raz pierwszy ideę przebiegu reakcji jądrowej przez stadium jądra złożonego wyraził N. Bohr. Zgodnie z modelem jądra złożonego, padająca cząstka, po interakcji z jednym lub dwoma nukleonami jądra, przekazuje do jądra większość swojej energii i jest wychwytywana przez jądro. Czas życia jądra złożonego jest znacznie dłuższy niż czas przelotu cząstki padającej przez jądro. Energia wprowadzona przez padającą cząstkę do jądra jest redystrybuowana między nukleony jądra, aż znaczna jej część zostanie skoncentrowana na jednej cząstce, a następnie wylatuje z jądra. Powstanie długowiecznego stanu wzbudzonego może w wyniku deformacji doprowadzić do jego podziału.

N. Bor: „Zjawisko wychwytywania neutronów skłania nas do przyjęcia, że ​​zderzenie szybkiego neutronu z ciężkim jądrem powinno doprowadzić przede wszystkim do powstania złożonego układu charakteryzującego się niezwykłą stabilnością. Ewentualny późniejszy rozpad tego układu pośredniego z ucieczką cząstki materialnej lub przejściem do stanu końcowego z emisją kwantu energii promieniowania należy uznać za procesy niezależne, niezwiązane bezpośrednio z pierwszą fazą zderzenia. Spotykamy się tu z istotną, wcześniej nierozpoznaną różnicą między rzeczywistymi reakcjami jądrowymi - zwykłymi zderzeniami szybkich cząstek i układami atomowymi - zderzeniami, które do tej pory były dla nas głównym źródłem informacji o budowie atomu. Rzeczywiście, możliwość liczenia pojedynczych cząstek atomowych za pomocą takich zderzeń i badania ich właściwości wynika przede wszystkim z „otwartości” rozważanych układów, co sprawia, że ​​wymiana energii między poszczególnymi cząstkami składowymi jest bardzo mało prawdopodobna podczas strajku. Jednak ze względu na ścisłe upakowanie cząstek w jądrze musimy być przygotowani na to, że to właśnie ta wymiana energii odgrywa główną rolę w typowych reakcjach jądrowych.”

Klasyfikacja reakcji jądrowych. Reakcje jądrowe są skutecznym sposobem badania struktury jąder atomowych. Jeśli długość fali padającej cząstki jest większa niż rozmiar jądra, to w takich eksperymentach uzyskuje się informacje o jądrze jako całości. Jeżeli wielkość jądra jest mniejsza, to z przekroje reakcji.

• Wzbudzenie kulombowskie jąder pod działaniem naładowanych cząstek o stosunkowo dużej masie (protonów, cząstek α ​​i ciężkich jonów węgla, azotu) służy do badania nisko położonych poziomów rotacyjnych ciężkich jąder.
• Reakcje z ciężkimi jonami na ciężkich jądrach, prowadzące do fuzji kolidujących jąder, są główną metodą wytwarzania superciężkich jąder atomowych.
• Reakcje fuzji lekkich jąder przy stosunkowo niskich energiach zderzeń (tzw. reakcje termojądrowe). Reakcje te wynikają z tunelowania mechaniki kwantowej przez barierę Coulomba. Reakcje termojądrowe zachodzą wewnątrz gwiazd w temperaturze 10 7 –10 10 K i są głównym źródłem energii dla gwiazd.
• Reakcje fotojądrowe i elektrojądrowe zachodzą przy zderzeniu z jądrami kwantów γ i elektronami o energiach E > 10 MeV.
• Reakcje rozszczepienia ciężkich jąder, którym towarzyszy głęboka restrukturyzacja jądra.
• Reakcje z wiązkami jąder promieniotwórczych otwierają możliwość otrzymywania i badania jąder o niezwykłym stosunku liczby protonów i neutronów, z dala od linii stabilności.

Reakcje jądrowe są zwykle klasyfikowane według typu i energii cząstki padającej, typu jądra docelowego oraz energii cząstki padającej.

Powolne reakcje neutronowe

„1934 Pewnego ranka Bruno Pontecorvo i Eduardo Amaldi testowali niektóre metale pod kątem radioaktywności. Próbki te miały kształt małych pustych cylindrów. ten sam rozmiar wewnątrz którego można by umieścić źródło neutronów. Aby napromieniować taki cylinder, włożono do niego źródło neutronów, a następnie wszystko umieszczono w ołowianym pudełku. Tego doniosłego poranka Amaldi i Pontecorvo przeprowadzili eksperymenty ze srebrem. I nagle Pontecorvo zauważył, że ze srebrnym cylindrem dzieje się coś dziwnego: jego aktywność nie zawsze była taka sama, zmieniała się w zależności od tego, gdzie został umieszczony, w środku lub w rogu ołowianego pudełka. W całkowitym oszołomieniu Amaldi i Pontecorvo poszli zgłosić ten cud Fermiemu i Rasettiemu. Franke był skłonny przypisywać te osobliwości pewnym błędom statystycznym lub niedokładnym pomiarom. Enrico, który uważał, że każde zjawisko wymaga weryfikacji, zasugerował, aby spróbowali napromieniować ten srebrny cylinder poza ołowianą skrzynkę i zobaczyć, co się stanie. A potem działy się dla nich absolutnie niesamowite cuda. Okazało się, że obiekty znajdujące się w pobliżu cylindra mogą wpływać na jego działanie. Jeżeli cylinder został napromieniowany, gdy stał na drewnianym stole, jego aktywność była wyższa niż wtedy, gdy był postawiony na metalowej płycie. Teraz cała grupa była tym zainteresowana i wszyscy brali udział w eksperymentach. Umieścili źródło neutronów na zewnątrz cylindra i umieścili różne obiekty między nim a cylindrem. Płytka ołowiana nieznacznie zwiększyła aktywność. Prowadzić−substancja jest ciężka. „Cóż, spróbujmy teraz łatwego!−zasugerował Fermi.−Powiedzmy, że parafina ”. 22 października rano przeprowadzono eksperyment z woskiem parafinowym.
Wzięli duży kawałek parafiny, wydrążyli w nim otwór i umieścili w nim źródło neutronów, napromieniowali srebrny cylinder i przenieśli go do licznika Geigera. Licznik, jakby spadł z łańcucha, po prostu kliknął. Cały budynek grzmiał z okrzykami: „Niesamowite! Niewyobrażalny! Czarna magia!" Parafina stukrotnie zwiększyła sztuczną radioaktywność srebra.
W południe grupa fizyków niechętnie rozeszła się na przerwę obiadową, która zwykle trwała dwie godziny… Enrico wykorzystał swoją samotność, a kiedy wrócił do laboratorium, miał już teorię wyjaśniającą dziwne działanie parafiny. "