Электрические цепи переменного тока Явление резонанса векторная диаграмма Электpостатика Закон Кулона Потенциал Диэлектpики Пpоводники Теоpема Гаусса Электpическая емкость Физика атомного ядра Электромагнетизм Волновая оптика Математика Задачи Векторная алгебра Производная

Атомная энергетика и ядерная физика

Механизм деления.

 Если деление выгодно для ядра с Z2/A>17, т.е. с А≥90, то возникает вопрос: почему же большинство известных тяжёлых ядер устойчиво по отношению к спонтанному делению?

 В ходе деления ядро проходит через стадии: шар, эллипсоид, гантель, 2 грушевидных осколка, 2 сферических осколка. Изменение энергии ядра на разных стадиях определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий начального ядра и осколков. При увеличении расстояния между центрами осколков (при делении 23692U из основного состояния на 2 асимметричных осколка) от начального значения r=0. Эта сумма сначала растёт, а затем уменьшается. Т.о. возникает потенциальный барьер, препятствующий мгновенному (за характерное ядерное время ~ 10-22с) спонтанному делению исходного ядра из основного состояния. Для 23692U величина этого барьера 6,5 МэВ. Барьер возникает потому, что поверхностная энергия с увеличением r (при r<10 Фм) растёт быстрее, чем уменьшается кулоновская энергия. Ядро 23692U в основном состоянии практически стабильно. Если ему добавить небольшую энергию, то оно может менять форму от сферической до эллипсоидальной, совершая небольшие колебания относительно исходного «сферического» состояния и не испытывая деления. Однако при передаче ядру энергии, большей величины барьера, амплитуда колебаний становится настолько большой, что ядро проскакивает максимальное значение потенциальной энергии и делится. Вершине барьера соответствует гантелевидная форма делящегося ядра. Как только ядро приобретает форму гантели деление становится необратимым.

 Изменение полной энергии при переходе от сферы к эллипсоиду определяется соотношением:

  , где ε –малый параметр деформации ядра в выражениях для малой и большой осей эллипсоида:   ; R – радиус исходного ядра.

Барьер возникает тогда, когда ΔE>0, т.е. при Z2/A<2as/ac≈48, причём высота барьера тем меньше, чем меньше выражение в скобках, т.е. чем больше параметр деления Z2/A. (Рис. 9) Выбрасы радиоактивных веществ в атмосферу Любая работающая АЭС оказывает мощное влияние на окружающую среду по трем направлениям: газообразные (в том числе радиоактивные) выбросы в атмосферу, выбросы большого количества тепла и неизбежное распространение вокруг АЭС какого-то количества жидких радиоактивных отходов.

Рис. 10 Зависимость формы и высоты потенциального барьера, а также энергии деления от величины параметра Z2/A. Стрелками указана высота барьера.

При Z2/A≈48 барьер деления исчезает и ядра с таким или большим параметром деления неустойчивы к мгновенному (за время ~10-22с) спонтанному делению. Спонтанное деление ограничивает область существования устойчивых или долгоживущих ядер со стороны больших значений A и Z. Вероятность спонтанного деления растёт с увеличением Z2/A, т.е. с уменьшением высоты барьера. Период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжёлых ядер к более тяжёлым (от Т½>1021лет для 23290Th до 6 мс для 256104Rf). Также резко изменяется зависимость Т½ спонтанного деления от высоты барьера. При делении 23592U тепловыми нейтронами (n+23592U→23692U→9538Sr+13954Xe+2n) составное ядро 23692U получает энергию возбуждения, равную энергии отделения нейтрона (Bn) от ядра 23692U (кинетическая энергия Т теплового нейтрона ≈0,025эВ и добавкой к энергии возбуждения 23692U этой величины можно пренебречь). Т.к. Bn 23692U равна 6,8 МэВ, т.е. превышает барьер деления, то это ядро делится. Вынужденное деление может быть вызвано не только нейтронами, но и другими частицами. Однако использование нейтронов практически выгодно, т.к. их захвату ядром не препятствует кулоновский барьер и эффективное сечение захвата велико.

 Итак, мерой способности к делению ядер в рамках капельной модели ядра может служить отношение кулоновского отталкивания протонов, стремящихся разорвать каплю, к энергии поверхностного натяжения, противодействующего растеканию капли:;

σ- коэффициент поверхностного натяжения капли,

rn – радиус нуклона.

Z2/A – больше для 23692U, чем для 23992U следовательно, энергия активации (или величина барьера) реакции деления на ядрах 23692U меньше (6,5 МэВ), чем на ядрах 23992U (7,1 МэВ). Эти цифры характеризуют величину барьера, который должен быть преодолен при делении ядер 23692U и 23992U. Экспериментально было установлено, что энергия возбуждения у ядра 23992U – 5,5 МэВ, тогда как у 23692U – 6,8 МэВ, т.е. ядро 23692U должно делиться, находясь на энергетическом уровне более высоком, чем нужно для деления (6,8 МэВ-6,5 МэВ=0,3 МэВ), независимо от кинетической энергии падающего нейтрона, а ядро 23992U не будет делиться, если нейтрон не принесёт ещё дополнительную кинетическую энергию, равную 7,1-5,5=1,6 МэВ. Т.е. для деления ядер 23892U нужны быстрые нейтроны (с En>1,6 МэВ), тогда как ядра 23592U делятся тепловыми нейтронами.

1.6. Сечения рассеяния и поглощения тепловых нейтронов на ядрах некоторых биологически важных элементов.

Экспериментально определено, что даже для тепловых нейтронов сечение рассеяния больше сечения захвата (Табл. 3)

элемент

Сечение рассеяния, барн

Табл. 3. Сечение взаимодей-ствия тепловых нейтронов с
ядрами H, C, N, O.

 
Сечение поглощения, барн

H

38

0,33 (n,γ)

C

4,8

0,0034 (n,γ)

N

10

1,75 (n,p)

0,13 (n,γ)

O

4,2

0,0002 (n,γ)

Сечение захвата быстро растёт при уменьшении En. Практически все нейтроны перд захватом при соударения внутри объекта замедляются до тепловой энергии. Самые большие сечения у ядер атомов водорода и азота.

Только небольшая часть биологического действия нейтронов вызывается этими двумя первичными процессами соударения и захвата. Большая часть радиационных повреждений происходит в результате действия ядер отдачи и вторичного излучения, которое индуцируется в процессе нейтронного захвата, т.е. основной ионизационный эффект будет определяться действием заряженных частиц. Поэтому нейтронное излучение относится к косвенно ионизирующим.


На главную