Курс лекций по ядерной физике




НазваниеКурс лекций по ядерной физике
страница14/41
Дата публикации18.08.2013
Размер4.3 Mb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Физика > Лекция
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   41
Часть энергии деления уносят γ-кванты, испускаемые возбужденными осколками сразу после вылета мгновенных нейтронов (т.н. мгновенное γ-излучение), а также γ-кванты, выделяющиеся в ходе сложного β-распада.

Характерной особенностью деления является то, что осколки, как правило, существенно различаются по массам, т.е. преобладает асимметричное деление. Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых примерно в 1,5 раза тяжелее другого. Вероятность симметричного деления примерно на три порядка меньше, чем деления в отношении 3:2. Хотя капельная модель не исключает самой возможности асимметричного деления, однако не объясняет происхождения асимметрии. Асимметрию деления объясняют влиянием оболочечной структуры: ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нейтронов и в легком, и в тяжелом осколке образовала устойчивый магический остов (N = 50 и N = 82). С другой стороны, как показывают расчеты, учет оболочечных эффектов снижает высоту второго барьера деления при октупольной деформации (п. 4.5). В таком случае асимметричному делению способствует облегченный туннельный переход через второй потенциальный барьер при несимметричной (грушевидной) деформации.

10.5. Атомно-молекулярные последствия радиоактивного распада. Любой процесс радиоактивного распада, за исключением изомерного перехода, приводит к изменению заряда ядра. При этом, на первый взгляд, выброс ядром α- или β-частицы не затрагивает электронных оболочек атома: двигаясь со скоростью ~ 107-108 м/с, частицы покидают атом настолько быстро, что взаимодействием между ними и атомными электронами можно пренебречь. В связи с этим можно предположить, что после β+- или α-распада дочерний атом будет представлять собой отрицательный, а после β-распада – положительный ион, так как в первом случае на атомных оболочках остаются «лишние» электроны (один или два), а во втором, напротив, имеет место нехватка одного электрона. Из тех же соображений можно ожидать, что после электронного захвата дочерний атом будет электрически нейтральным.

В действительности образования отрицательных ионов после радиоактивного распада не наблюдается вообще. Так, например, после β+-распада 79Kr дочерний 79Br имеет положительный заряд: от +1 до +13. В то же время 85Rb после β-распада 85Kr также образуется в состоянии многократно заряженного положительного иона: до +10. Наконец, при электронном захвате 37Ar дочерний 37Cl с наибольшей (около 40%) вероятностью оказывается в состоянии Cl3+.1

Причина образования после распада положительных ионов заключается в том, что «мгновенное» изменение заряда ядра возмущает атомные электронные уровни (эффект встряски). Если рассматривать этот процесс с точки зрения квантовой механики, уровни дочернего атома (иона) после распада уже не будут являться стационарными. В частности, увеличение Z должно приводить к более сильному связыванию внутренних электронов с ядром, а уменьшение – наоборот, к более слабому. Тем не менее, конечное состояние системы должно быть одним из стационарных состояний дочернего атома (иона). Возмущение, вносимое в систему изменением заряда ядра, может приводить к возбуждению и даже к ионизации дочернего атома. Необходимая для этого энергия – это некоторая (небольшая) доля энергии испускаемой ядром частицы. Вероятность ионизации обратно пропорциональна квадрату эффективного атомного номера материнского ядра Z*, значение которого меньше действительного Z вследствие экранирования ядра внутренними электронами.2

При электронном захвате (как и при внутренней конверсии γ-квантов) эффект встряски играет второстепенную роль. Ионизация дочернего атома здесь вызвана, главным образом, испусканием им самим электронов Оже.

Распад радиоактивных ядер в составе молекул приводит к образованию положительных молекулярных ионов, при этом последние могут диссоциировать. Так, при распаде радиоуглерода в 14CO2 образуются (NO2)+, (NO2)2+, (NO)+, (NO)2+, O+, O2+, N+, N2+ и даже O2+. Диссоциация дочерних молекул объясняется, с одной стороны, возможностью электронов образовать молекулярные орбитали, не соответствующие связанным состояниям, с другой – кинетической энергией ядер отдачи, часть которой может пойти на разрыв химических связей.

Лекция 11. Ядерные реакции. Общее рассмотрение
^ 11.1. Определение и классификация ядерных реакций. Существуют различные толкования термина ядерные реакции. В широком смысле ядерной реакцией называется любой процесс, начинающийся столкновением двух, редко нескольких, частиц (простых или сложных) и идущий, как правило, с участием сильных взаимодействий. Этому определению удовлетворяют и ядерные реакции в узком смысле этого слова, под которыми понимаются процессы, начинающиеся столкновением простой или сложной частицы (нуклон, α-частица, γ-квант) с ядром. Отметим, что определению реакции удовлетворяет, как частный случай, и рассеяние частиц.1 Два примера ядерных реакций приведены ниже.

Исторически первая ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г. – открытие протона):

α + 14N → 17О + р.

Открытие нейтрона (Чедвик, 1932 г.):

α + 9Ве → 12С + n.

Изучение ядерных реакций необходимо для получения информации о свойствах новых ядер и элементарных частиц, возбужденных состояний ядер и т.д. Не следует забывать, что в микромире из-за наличия квантовых закономерностей на частицу или ядро нельзя «посмотреть». Поэтому основным методом изучения микрообъектов является изучение их столкновений, т. е. ядерных реакций. В прикладном отношении ядерные реакции нужны для исполь­зования ядерной энергии, а также для получения искусственных радионуклидов.

Ядерные реакции могут происходить в естественных условиях (например, в недрах звезд или в космических лучах). Но их изучение обычно проводят в лабораторных условиях, на экспериментальных установках. Для осуществления ядерных реакций необходимо сблизить частицы или ядра с ядрами до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Сближению заряженных частиц с ядрами препятствует кулоновский барьер. Поэтому для осуществления ядерных реакций на заряженных частицах используют ускорители,2 в которых частицы, разгоняясь в электрическом поле, приобретают энергию, необходимую для преодоления барьера. Иногда эта энергия сравнима с энергией покоя частицы или даже превышает ее: в этом случае движение описывается законами релятивистской механики. В обычных ускорителях (линейный ускоритель, циклотрон и т.п.) более тяжелая из двух сталкивающихся частиц, как правило, покоится, а более легкая на нее налетает. Покоящаяся частица называется мишенью (англ. – target). Налетающие, или бомбардирующие, частицы в русском языке специального названия не получили (в английском языке употребляется термин projectile – снаряд). В ускорителях на встречных пучках (коллайдерах) обе сталкивающиеся частицы движутся, так что разделение на мишень и пучок налетающих частиц теряет смысл.

Энергия заряженной частицы в реакции может быть и меньше высоты кулоновского барьера, как это было в классических опытах Дж. Коккрофта и Э. Уолтона, которые в 1932 г. осуществили искусственное расщепление ядер лития путем бомбардировки их ускоренными протонами. В их опытах проникновение протона в ядро мишени происходило путем тунелирования через кулоновский потенциальный барьер (см. Лекцию 7). Вероятность такого процесса, разумеется, очень мала из-за малой прозрачности барьера.

Для символической записи ядерных реакций существует несколько способов, два из которых приведены ниже:

a + Ab + B ,

или

A(a, b)B ,

p + 18O → n + 18F ,

или

18O(p, n)18F ,

p + 7Li → 4He + 4He ,

или

7Li(p, 2α) ,

γ + 40Ca → 38K + p + n ,

или

40Ca(γ, pn)38K .

Совокупность сталкивающихся частиц в определенном квантовом состоянии (например, р и 7Li) называют входным каналом ядерной реакции. При столкновениях одних и тех же частиц (фиксированный входной канал) в общем случае могут появляться различные продукты реакции. Так, при столкновениях протонов с 7Li возможны реакции 7Li(p, 2α), 7Li(p, n)7Be, 7Li(p, d)6Be и др.1 В этом случае говорят о конкурирующих процессах, или о множестве выходных каналов.

Часто ядерные реакции записывают в еще более короткой форме: (a, b) – т.е. указывая только легкие частицы и не указывая ядра, участвующие в реакции. Например, запись (p, n) означает выбивание протоном нейтрона из какого-либо ядра, (n, γ) – поглощение нейтрона ядром с испусканием γ-кванта, и т.п.

Классификация ядерных реакций может быть проведена по следующим признакам:

I. По типу протекающего процесса

  1. радиационный захват: (n, γ), (p, γ)

  2. ядерный фотоэффект: (γ, n), (γ, p)

  3. нуклон-нуклонные реакции:

а) выбивание нуклона или группы нуклонов (n, p), (p, α) и т.п.

б) «испарение» нуклонов (p, 2n), (p, 2p) и т.п.

в) срыв (d, p), (d, n) и подхват (p, d), (n, d)

  1. деление: (n, f), (p, f), (γ, f)

  2. синтез (слияние)

  3. неупругое рассеяние: (n, n’)

  4. упругое рассеяние: (n, n)

II. По признаку выделения или поглощения энергии

1) экзотермические реакции

2) эндотермические реакции

III. По энергии бомбардирующих частиц

  1. малых энергий (< 1 кэВ)

  2. средних энергий (1 кэВ-10МэВ)

  3. высоких энергий (> 10 МэВ)

IV. По массе бомбардируемых ядер

  1. на легких ядрах (А < 50)

  2. на ядрах средних масс (50 < А < 100)

  3. на тяжелых ядрах (А > 100)

V. По виду бомбардирующих частиц

  1. на заряженных частицах (p, d, α и более тяжелые ионы)

  2. на нейтронах

  3. на фотонах (фотоядерные реакции)

^ 11.2. Закон сохранения энергии. Для ядерной реакции самого общего вида

A + BC + D + E + …

запишем закон сохранения энергии через энергии покоя и кинетические энергии:



Величина Q, определяемая как разность энергий покоя:

, (11.1)

называется энергией реакции. Очевидно, что

.

Если ^ Q > 0, то такая реакция называется экзотермической. В этом случае Q – это разность кинетических энергий всех участников реакции до и после разлета, определенная в системе координат, связанной с центром инерции (СЦИ, или ц-системе). Экзотермическая реакция может идти при любом значении кинетической энергии сталкивающихся частиц, в том числе, и при нулевой.

Если ^ Q < 0, то реакцию называют эндотермической. Реакция обратная экзотермической реакции всегда эндотермическая, и наоборот. Величина –Q в ц-системе – это минимальная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, при которой еще возможна реакция, или, порог реакции.

При переходе в лабораторную систему координат (рис. 11.1), ЛСК, или просто л-систему, в которой покоится одна из реагирующих частиц – мишень значение порога реакции Епор увеличивается, т.к. часть кинетической энергии идет на бесполезное для реакции движение центра инерции. Действительно, кинетическая энергия дви­жения центра инерции может быть сколь угодно велика, но если частицы покоятся друг относительно друга, реакция не пойдет.

Для определения порога реакции в л-системе воспользуемся тем, что масса, а значит и энергия покоя есть инвариант, т.е. величина, не зависящая от выбора системы координат. Так как , то для любого числа частиц

(11.2)

Если в рассматриваемой реакции мишенью является частица В, то в л-системе



.
В ц-системе



.

Как было сказано выше, порогу в ц-системе соответствует рождение частиц С, D и т.д. с нулевыми кинетическими энергиями, т.е. и т.д. и . Инвариант массы в л-системе

.

Отвечающий порогу инвариант массы в ц-системе

.

Если теперь приравнять два полученных инварианта при , то

,

откуда


. (11.3)

Таким образом, порог эндотермической реакции всегда больше энергии обратной экзотермической реакции Q. Как видно из полученного выражения, порог эндотермической реакции тем ниже, чем больше масса мишени.

^ 11.3. Роль орбитального момента. Момент импульса частицы с импульсом р, налетающей на неподвижное ядро, равен pb, где b – прицельный параметр. По классическим представлениям реакция может произойти только в тех случаях, когда этот прицельный параметр меньше радиуса действия ядерных сил, т.е. b < R. В квантовой механике значение орбитального момента



(– длина волны де Бройля). Тогда должно выполняться неравенство

. (11.4)

Для нейтрона с энергией T = 1 МэВ , т.е. сравнима с размерами ядра. Для нейтронов и протонов с меньшей энергией она значительно больше. Т.о., для частиц малых и средних энергий неравенство (11.4) выполняется, строго говоря, лишь при условии l = 0 (реже при l = 1).

С учетом квантовых свойств системы реакция в принципе возможна при любых l, но вероятность реакции резко падает, если соотношение (11.4) не выполняется. Причина в том, что нейтронам в этом случае необходимо преодолеть центробежный барьер. Но, как это было показано при рассмотрении испускания ядрами γ-квантов (Лекция 9), коэффициент прозрачности центробежного барьера

,

т.е. резко уменьшается с ростом l. Если длинноволновое приближение перестает выполняться (т.е. бомбардирующие частицы имеют очень высокую энергию), взаимодействие возможно и с l, отличным от нуля.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   41

Похожие:

Курс лекций по ядерной физике iconМетодические указания к выполнению контрольной работы №5 по физике...
...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций по социологии
Курс лекций по социологии / Р. А. Лаптев; Курский институт социального образования (филиал) ргсу. – Курск, 2011. – с

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций
Общие гуманитарные и социально-экономические дисциплины” государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций
Курс лекций по социологии представляют собой краткое изложение её основ. Причём интеллектологический аспект рассматриваемых социальных...

Курс лекций по ядерной физике iconФинансы организации курс лекций
Финансы организации. Курс лекций. – Пермь: Экономический колледж при пгу 2009. – 92 с

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций по общему языкознанию с
Курс лекций по общему языкознанию. Научное пособие. К.: Освита Украины, 2006. 312 с

Курс лекций по ядерной физике iconКраткий курс лекций Часть 1 2012 Рекомендовано к изданию в качестве...
Компьютерные информационные технологии. Краткий курс лекций: Ж. М. Анисимова, Л. И. Крошинская, Л. C. Черепица. – Минск: «бип – Институт...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций мариуполь 2009 Министерство образования и науки Украины...
...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций Под редакцией доктора юридических наук, профессора, заслуженного...
История отечественного государства и права. Ч. II: курс лекций / Н. В. Михайлова, С. С. Жевлакович, Д. В. Колыхалов и др.; под ред....

Курс лекций по ядерной физике iconКраткий курс лекций по грамматике английского языка Утверждено Редакционно-издательским советом
Краткий курс лекций по грамматике английского языка: Учеб. Пособие. Магнитогорск: мгту им. Г. И. Носова, 2001. — 71 с

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов