Материал: Lysenko_physics_lek_2

характер цих шляхів і їх відносна ймовірність не залежать від способу утворення компаундядра.

5 Реакції, які викликані швидкими нуклонами й дейтронами, проходять без утворення проміжного ядра. Такі реакції називають прямими. Типовою прямою ядерною реакцією є реакція зриву, яка спостерігається при нецентральних зіткненнях дейтрона з ядром. При таких зіткненнях один з нуклонів дейтрона може опинитись у зоні дії ядерних сил і буде захоплений ядром, у той час як інший нуклон залишиться поза зоною дії ядерних сил і пролетить повз ядро. Символічно цю реакцію можна подати у вигляді (d, p) або (d, n) .

Зворотною до реакції зриву є реакція підхоплення – нуклон, що налетів ( p або n ) відколює від ядра один з нуклонів ( n або p ), перетворюючись при цьому в дейтрон: (n, d)

або ( p,d) .

6 У ядерній фізиці ймовірність взаємодії характеризують за допомогою ефективного перерізу σ . Зміст цієї величини полягає в такому. Нехай потік частинок, наприклад нейтронів, попадає на мішень, настільки тонку, що ядра мішені не перекривають один одного (рис. 110.1; нагадаємо, що потоком частинок називається кількість частинок, що пролітають через деяку поверхню за одиницю часу). Якщо б ядра були твердими кульками з поперечним перерізом σ , а частинки, які падають, – твердими кульками з дуже малим перерізом, то ймовірність того, що частинка, яка падає, зачепить одне з ядер мішені, дорівнювала б

P = SSяд = σnVS = σnSS δ = σnδ ,

де n – концентрація ядер, тобто число їх в одиниці об'єму мішені; δ – товщина мішені ( σnδ визначає відносну частинку площі мішені, перекриту ядрами-кульками).

даної реакції (або процесу).

Ефективні перерізи ядерних процесів виражають в одиницях, що отримали назву

7 Уперше ядерна реакція була проведена Резерфордом у 1919 р. При опроміненні азоту α -частинками деякі ядра азоту перетворювалися в ядра кисню, випускаючи при цьому протон. Рівняння цієї реакції має вигляд

147 N(α, p)178 O .

226

Резерфорд скористався для розщеплення атомного ядра природними снарядами – α -частинками. Перша ядерна реакція, викликана штучно прискореними частинками, була здійснена Кокрофтом і Уолтоном в 1932 р. За допомогою так званого множника напруги вони прискорювали протони до енергії порядку 0,8 МеВ і спостерігали реакцію

37Li( p, a)24He .

Далі з розвитком техніки прискорення заряджених частинок множилося число ядерних перетворень, які здійснювалися штучним шляхом.

Найбільше значення мають реакції, які викликаються нейтронами. На відміну від заряджених частинок ( p,d,α) нейтрони не зазнають кулонівського відштовхування,

внаслідок чого вони можуть проникати в ядра, маючи досить малу енергію. Ефективні перерізи реакцій звичайно зростають при зменшенні енергії нейтронів. Це можна пояснити тим, що чим менша швидкість нейтрона, тим більший час, який він проводить у сфері дії ядерних сил, пролітаючи поблизу ядра, і, отже, тим більша ймовірність його захоплення. Однак часто спостерігаються випадки, коли переріз захоплення нейтронів має різко виражений максимум для нейтронів певної енергії Er . Як приклад на рис. 110.2 наведена

крива залежності перерізу захоплення нейтрона ядром 238U від енергії нейтрона E . Масштаб вздовж обох осей – логарифмічний. На рисунку видно, що при E = Er = 7еВ

переріз захоплення різко зростає, досягаючи 23 000 барн. Вид кривої свідчить про те, що явище має резонансний характер. Таке резонансне поглинання має місце в тому випадку, коли енергія, що привноситься нейтроном у компаунд-ядро, дійсно дорівнює тій енергії, яка необхідна для переведення компаунд-ядра на збуджений енергетичний рівень. Подібним чином для фотонів, енергія яких дорівнює різниці енергій між першим збудженим і основним рівнями атома, імовірність поглинання особливо велика (резонансне поглинання світла).

N− = kN .

Оскільки період напіврозпаду дуже великий, встановлюється рівноважна концентрація ядер 14C у звичайному вуглеці, що відповідає умові

N+ = N− , або N+ = kN.

Спеціальні дослідження показали, що внаслідок дії вітрів і океанських течій рівноважна

концентрація 14C в різних місцях земної кулі однакова й відповідає приблизно 14 розпадам за хвилину на кожний грам вуглецю.

227

23592U + n→14055 Cs+3794Rb + 2n .

Осколки поділу – цезій і рубідій – мають перетворення:

228

14055 Cs®14056 Ba®14057 La®14058 Ce, 3794Rb®3894Sr®9439Y ®4094Zr.

Кінцеві продукти – церій 140Ce і цирконій 94Zr – є стабільними.

Крім урану, при опроміненні нейтронами діляться торій (23290Th) і протактиній (23191Pa), , а також трансурановий елемент плутоній (23994 Pu) . Нейтрони надвисоких енергій (порядку декількох сотень мегаелектронвольт) викликають поділ і більш легких ядер. Ядра 235U й 239Pu діляться нейтронами будь-яких енергій, але особливо добре повільними нейтронами.

Тепловими нейтронами діляться також 233U і 230Th , але ці ізотопи в природі не трапляються, вони утворюються штучним шляхом.

Ядра 238U діляться тільки швидкими нейтронами (з енергіями, не меншими 1 МеВ). При менших енергіях нейтрони поглинаються ядрами 238U без подальшого поділу. У результаті утвориться ядро 239U , енергія збудження якого виділяється у вигляді γ -фотона. Тому такий процес називається радіаційним захопленням (реакція (n, γ) ). Ефективний переріз цього процесу різко зростає при енергії нейтронів, що дорівнює приблизно 7 еВ,

досягаючи 23 000 барн. Переріз захоплення ядром 238U теплових нейтронів становить менше 3 барн.

Ядро 239U , яке утворилося в результаті захоплення нейтрона, нестабільне (період напіврозпаду T дорівнює 23 хв.). Випускаючи електрон, антинейтрино й γ -фотон, воно

Плутоній α -радіоактивний, однак його період напіврозпаду такий великий (24 400 років), що його можна вважати практично стабільним.

Радіаційне захоплення нейтронів ядром торія 232Th приводить до утворення ізотопу урану 233U , який легко ділиться, що є відсутнім у природному урані:

23290Th + n®23390Th¾(¾22 мин¾¾)®23391 Ac¾(¾27 дней¾¾)®23392U.

Уран-233 α -радіоактивний (Т = 162 000 років).

2 Випромінювання при поділі ядер 235U , 239Pu і 233U декількох нейтронів дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію. Дійсно, випромінені при поділі одного

ядра z нейтронів можуть викликати поділ z ядер, у результаті буде випущено z2 нових

нейтронів, які спричинять поділ z2 ядер, і т.д. Таким чином, кількість нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. Нейтрони, що

випромінюються при поділі ядер 235U , мають у середньому енергію порядку 2 МеВ, що відповідає швидкості порядку 2·107 м/с. Тому час, що проходить між випромінюванням нейтрона й захопленням його новим ядром, що ділиться, дуже малий, так що процес розмноження в речовині проходить досить швидко.

Намальована нами картина є ідеальною. Процес розмноження нейтронів проходив би описаним способом за умови, що всі нейтрони, які виділилися, поглинаються ядрами, що діляться. У дійсності це далеко не так. Насамперед через скінченні розміри тіла, де відбувається поділ, і велику проникаючу здатність нейтронів багато з них залишають зону реакції, перш ніж будуть захоплені яким-небудь ядром і спричинять його поділ. Крім того, частина нейтронів поглинеться ядрами домішок, що не діляться, внаслідок чого вони виходять із гри, не викликавши поділу й, отже, не утворивши нових нейтронів.

229

Об'єм тіла росте як куб, а поверхня – як квадрат лінійних розмірів. Тому відносна частка нейтронів, що вилітають назовні, зменшується зі збільшенням маси речовини, що ділиться.

Природний уран містить 99,27 % ізотопу 233U , 0,72 % 235U і близько 0,01 % 234U . Отже, на кожне ядро 235U , що ділиться під дією повільних нейтронів, припадає 140 ядер

238U , які захоплюють не занадто швидкі нейтрони без поділу. Тому в природному урані ланцюгова реакція поділу не виникає.

Ланцюгова реакція в урані може бути здійснена двома способами. Перший спосіб

полягає у виділенні із природного урану ізотопу 235U , який ділиться. Внаслідок хімічної нерозрізненості ізотопів розділ їх являє собою досить важке завдання. Однак вона була вирішена декількома методами.

3 У чистому 235U (або 239Pu ) кожний захоплений ядром нейтрон викликає поділ з випромінюванням, близько 2,5 нових нейтронів. Однак якщо маса такої речовини менша певного критичного значення, то більшість випромінених нейтронів вилітає назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. При масі, більшій за критичну, нейтрони швидко розмножуються, і реакція набуває вибухового характеру. На цьому базується дія атомної бомби (рис. 111.2). Ядерний заряд такої бомби являє собою два або

більше частини майже чистого 235U або 239Pu . Маса кожної частини менша критичної, внаслідок чого ланцюгова реакція не виникає.

У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, які народжені космічними променями. Тому щоб викликати вибух, досить з'єднати частини ядерного заряду в один з масою, більшою за критичну. Це потрібно робити дуже швидко, і з'єднання частин повинне бути дуже щільним. У протилежному разі ядерний заряд розлетиться на частини, перш ніж встигне прореагувати помітна частина речовини, яка ділиться. Для з'єднання використовується звичайна вибухова речовина (запал), за допомогою якої однією частиною ядерного заряду вистрілюють в іншу. Весь пристрій укладений у масивну оболонку з металу великої густини. Оболонка є відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпилення доти, поки максимально можливе число його ядер не виділить свою енергію при поділі. Ланцюгова реакція в атомній бомбі йде на швидких нейтронах. При вибуху встигає прореагувати тільки частина ядерного заряду.

4 Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовується в ядерних реакторах. Як речовина, що ділиться, в реакторах є природний (або трохи збагачений

розмірах усього пристрою коефіцієнт розмноження нейтронів (тобто відношення кількостей нейтронів, що народжуються у двох наступних поколіннях) може досягти значень, більших одиниці.

Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається частинкою, залежить від співвідношення мас частинок, які

230