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

Классификация нейтронов.

В ядерных реакциях, образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией 0,1-1МэВ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию большими порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра (от десятков КэВ до нескольких МэВ в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, т.е. нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. При одном упругом соударении нейтрон теряет в среднем долю энергии, равную 2A/(A+1)2, где А – массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца) и велика для лёгких ядер (1/7 для углерода и ½ для водорода). Поэтому замедление нейтронов на лёгких ядрах происходит гораздо быстрее, чем на тяжёлых.

Замедление нейтронов приводит в конечном счёте к образованию тепловых нейтронов (нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление). Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,025эВ.

В процессе замедления часть нейтронов теряется, поглощаясь при столкновении с ядрами или вылетая из среды наружу.

В замедлителях нейтронов – веществах, содержащих лёгкие ядра, слабо захватывающие нейтроны, (при достаточно больших размерах замедлителя) потери малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны.

К числу лучших замедлителей относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит, которые широко используются в ядерной технике. Нейтроны с кинетической энергией, меньшей 100 кэВ, называются медленными. Различают нейтроны ультрахолодные (0–10-7эВ), холодные (10-7–5∙10-3 эВ), тепловые и надтепловые (2,5∙10-2–0,5 эВ), резонансные (0,5 эВ–1(10) кэВ), которые имеют много резонансных пиков в зависимости эффективного сечения взаимодействия со средними и тяжелыми ядрами от энергии нейтронов, и промежуточные (1(10)–100 кэВ). Приведенные значения граничных энергии условны. В действительности эти границы различны и зависят от типа явлений и конкретного вещества. гии парализует все виды деятельности. Наличие энергии - одно из необходимых условий для решения практически любой задачи в современном мире.

Медленные нейтроны и, в частности, тепловые имеют огромное значение для работы ядерных реакторов. Большие потоки тепловых нейтронов в ядерных реакторах широко используются также для получения радиоактивных изотопов. Исследования неупругого рассеяния тепловых и холодных нейтронов дают важные сведения о динамике атомов в твёрдых телах и жидкостях и о свойствах молекул. Сечение захвата холодных нейтронов ядрами очень большое, поскольку у них сильно проявляются волновые свойства (длина волны де Бройля больше межатомных расстояний).

Источники нейтронов.

Радиево-бериллиевые источники. Впервые нейтроны были получены с помощью α-частиц радиевых препаратов. Реакция (α, n): 24He + 49Be → 612C + n.

Фотонейтронные источники. Реакция (γ, n): γ + 12H → p + n – фоторасщепление дейтона на протон и нейтрон.

Реакции типа (d, n) в ускорителях (реакции срыва): d + 49Be → 510B + n.

При энергии дейтонов Ed ≈ 16 МэВ получают ≈ 109 n/(см2∙с) с энергией En ≈ 4 МэВ. При энергии дейтонов ≈ 200 МэВ в реакциях срыва на средних и тяжёлых ядрах получают пучки нейтронов с En ≈ 100 МэВ.

Ядерные реакции (деление ядер урана в реакторе). При захвате нейтрона тяжёлым ядром, последнее делится на осколки, испуская при этом 2-3 нейтрона. В осколках число нейтронов больше числа протонов, как и в исходных ядрах. Выделившиеся нейтроны, сталкиваясь с ядрами, снова вызывают их деление и т.д., т.е. возникает цепная реакция. Образующиеся в этой реакции нейтроны имеют энергию ≈ 0–13 МэВ (плотность потока нейтронов ≈ 1019 n/(см2∙с)).

Источниками нейтронов могут быть и другие процессы (реакции) при варьировании, например, ядер мишени или типа ускоренных частиц. Это тесно связано с проблемой искусственного получения нуклидов (ядер с различными Z и A). В настоящее время известно около 3000 нуклидов (т.е. ядерный мир богаче мира химических элементов или атомов). Среди необычных ядер, полученных искусственно, такие как 210He; 68C; 812O; и т.д. до 118293M. Известно 285 стабильных и долгоживущих (T1/2 > 5∙108 лет) нуклидов и около 2700 радиоактивных с меньшими T1/2. Вообще оценивают, что искусственно может быть получено 5000 – 6000 ядер.

Основное и возбуждённое состояние атомного ядра.

Атомное ядро – система с фиксированной полной энергией. Состояния таких систем – стационарные. Состояние с наибольшей энергией связи – основное. Но это же состояние характеризуется наименьшей полной энергией. Все остальные состояния с большей полной энергией – возбуждённые. Диаграмма ядерных уровней энергии строится так:

Нижнему по энергии (наибольшему по энергии связи –W) состоянию приписывается нулевой индекс и энергия E0=0:

 , где W0 – энергия связи ядра в основном состоянии.

Энергии Ei (i=1, 2,…) остальных состояний определяются как , т.е. отсчитываются от основного состояния. Это – энергии возбуждения. Нижние уровни энергии ядра дискретны. При ядерных превращениях и рспадах происходят переходы между различными стационарными состояниями ядер.


На главную