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

Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное взаимодействие.

При  пролёте заряженной частицы вблизи ядра передача энергии ядру за счёт кулоновских сил будет невелика. Траектория частицы будет заметно отличаться от прямолинейной, но приближённо и в этом случае можно пользоваться выражением Бете-Блоха (с тем отличием, что mч < Mя, передаваемый ядру импульс будет в Zя раз больше. Zяe – заряд ядра; Ze – заряд падающей частицы; Mя = A ∙ mp).

Отношение  энергий, передаваемых при столкновениях частицы с ядром и электроном, равно

Поскольку ядер в Zя раз меньше, чем электронов, то это отношение станет равным

,

т.е. вклад потерь энергии из-за столкновений с ядрами в общие потери энергии незначителен. Но эти столкновения вызывают рассеяние падающих частиц. Электроны претерпевают многократное рассеяние. Угол результирующего рассеяния (отклонения) α является статистической суммой малых углов отклонения при индивидуальных актах рассеяния.  (для малых углов отклонения) при индивидуальном рассеянии на угол Θi определяется как  (взято по большому числу траекторий). Средний угол многократного рассеяния после прохождения в веществе . Определяя α в веществе, можно оценить энергию частицы и её массу. В релятивистском случае ; (для малых Θ; ).

Потери энергии за счёт ядерного взаимодействия играют существенную роль только в случае сильно взаимодействующих частиц: π-мезонов, протонов высоких энергий и т.п. α- и β-излучение в радиоактивных распадах практически не испытывает ядерных взаимодействий. Поскольку это короткодействующие силы, значит, частица должна приблизиться на расстояние ~ 10-12 см. Для ионизационных потерь аналогичное расстояние ~ 10-8 см. Поэтому для ядерных взаимодействий сечение взаимодействия σя ~ 10-24 см2, а для ионизационного торможения σи ~ 10-16 см2, откуда σя/σи ≈ 10-8, т.е. только в одном случае из 107 – 108 столкновений произойдёт ядерная реакция.

Однако в ядерных соударениях частица теряет очень большую энергию, тогда как при столкновениях с атомом ~35 – 60 эВ. Второй тепловой контур. Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно, он является источником тепловой энергии для второго теплового контура. Первый ядерный уран-графитовый реактор на тепловых нейтронах был построен в 1942 в США под руководством Э.Ферми.

Тормозное излучение.

Любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны. При рассеянии кулоновским центром (масса Mя и заряд Zяe) частица массы m, заряда e и скорости v = β ∙ c претерпевает отклонение и, значит, получает ускорение. В классической электродинамике показано, что заряд, испытывающий ускорение в течение времени dt излучает энергию

;

с – скорость света, - ускорение. Т.к. , то . А это означает, что радиационные потери энергии наиболее существенны у самых лёгких частиц (электронов). Для протонов при той же энергии эффект уже в 4 ∙ 106 раз меньше.

Релятивистский квантовый расчёт Бете и Гайтлера для потери энергии электроном на тормозное излучение показал:

,

где n – число атомов в 1 см3 вещества, E – полная энергия излучающего электрона; .

Отношение потери энергии на тормозное излучение к потерям энергии на ионизацию равно

.

Из этого отношения видно, что, например, в воздухе потери энергии на излучение сравнимы с потерями на ионизацию при Eкр ≈ 80 МэВ, тогда как, например, для свинца - при Eкр ≈ 10 МэВ. Eкр – это энергия, при которой потери на тормозное излучение будут равны потерям энергии на ионизацию (эту энергию называют критической).

Пробег заряженных частиц в веществе. -электроны. В пучке электронов даже при одинаковой их начальной энергии различные частицы по-разному углубляются в толщу вещества. Это связано с их рассеянием. Лишь некоторые электроны могут пройти весь путь в одном направлении. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом (). Среднее значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе называется средним линейным пробегом ().

Излучение Вавилова-Черенкова. Невелики и потери энергии на световое излучение Вавилова-Черенкова, которое возникает при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создаёт вдоль своего пути локальную поляризацию его атомов. Сразу же после прохождения частицы поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны. При определённых условиях эти волны складываются и наблюдается излучение.

Это самопроизвольное испускание лептонов ().

Эффективная эквивалентная доза. Единицы измерения. Определение активности. Единицы активности. Активностью А некоторого количества радиоактивного вещества называют число спонтанных ядерных превращений в этом количестве вещества dN, происшедших за интервал времени dt:

Экспозиционная доза (Dэксп) – это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе. Она определяется отношением суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны, освобожденные фотонами в элементе объема воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в этом объеме: .


На главную