Материал: Белозеров В.И., Жук М.М., Кузина Ю.А., Терновых М.Ю. Физика и эксплуатационные режимы реактора ВВЭР-1000

С увеличением энергии высоты пиков, соответствующих другим возбужденным состояниям, уменьшаются, а энергетические уровни расширяются. При кинетической энергии En ~ 1 кэВ расстояние между уровнями тяжелых ядер становится меньше разрешения измерительных приборов, и уровни не разделяются. Вследствие этого сечение о, измеренное экспериментально, начинает убывать, монотонно приближаясь к геометрическому сечению ядра πR2.

Ядерному взаимодействию между заряженной частицей и ядром препятствует потенциальный барьер. Если кинетическая энергия бомбардирующих частиц меньше высоты потенциального барьера, то не все частицы, взаимодействующие с ядрами, вступают в ядерную реакцию. Часть из них рассеивается электрическим полем ядра. Другая часть проникает в ядра через потенциальный барьер и вызывает ядерную реакцию. Доля частиц, проникающих при столкновении с ядрами сквозь потенциальный барьер, равна коэффициенту прозрачности D. Энергия заряженных частиц, вступающих в реакцию с ядрами, не равна их начальной энергии Е на поверхности мишени. До столкновения с ядром заряженная частица расходует часть своей энергии на ионизацию и возбуждение атомов мишени. И чем длиннее путь частиц в мишени до столкновения с ядром, тем больше ионизационные потери и тем меньше энергия частиц. Следовательно, ядерные реакции протекают под действием заряженных частиц, энергия которых заключена в интервале от E – E до Е. Здесь E – ионизационные потери частицы в мишени.

Учитывая прозрачность потенциального барьера ядра, количество реакций на 1 м2 тонкой мишени при плотности потока моноэнергетических частиц Ф будет равно:

Произведение σD рассчитывают по результатам экспериментальных измерений. Его принимают за сечение реакции и обозначают единым символом сечения σ. В нем учитывают влияние на образование составного ядра ядерных и электрических свойств яд- ра-мишени и частицы. Коэффициент прозрачности D сильно растет с увеличением энергии частицы и становится равным единице при энергиях частицы, превышающих высоту потенциального барьера Vk. Аналогично изменяется и сечение реакции σ.

61

кривой сечения реакции есть несколько резонансных пиков. Пусть сечение образования составного ядра σ. Возможные на-

правления распада составного ядра характеризуются парциальными сечениями реакции: σs – сечение упругого рассеяния; σin – сечение неупругого рассеяния; σa – сечение поглощения частицы [реакция (а, b)]. Отношения σs/σ, σin/σ и σa/σ показывают вероятность распада составного ядра с упругим, неупругим рассеянием и поглощением частицы соответственно. Из общего числа П ядерных реакций (σs/σ)П частиц рассеивается упруго, (σin/σ)П частиц рассеивается неупруго, а (σa/σ)П частиц поглощается ядрами. Так как возбужденное составное ядро обязательно распадается по какомунибудь выходному каналу, то и сумма вероятностей его распада:

Непосредственно с сечением реакции связан выход реакции Y. Он равен доле частиц, вступающих в реакцию с ядрами мишени. Чтобы найти выход реакции Y, необходимо разделить количество реакций на 1 м2 мишени за 1 с на плотность потока частиц Ф. В тонкой мишени ослабление плотности потока и изменение энергии частиц по ее толщине незначительны. Поэтому плотность потока и энергию частиц можно считать постоянными.

В этом частном случае число реакций на 1 м2 мишени за 1 с:

62

где Ns – число ядер, приходящихся на 1 м2 мишени, ядро/м2; σi – сечение i-й реакции (i = s, а).

Разделив число реакций П на плотность потока Ф, получится

Так как на 1 м2 мишени толщиной 1 м содержится столько же

1.20. Трансурановые элементы

Природные элементы заполняют периодическую систему химических элементов Д.И. Менделеева до урана (Z = 92). Химические элементы, расположенные за ураном, называют трансурановыми (табл. 1.6). Все они радиоактивны и имеют малый период полураспада по сравнению с возрастом Земли. Поэтому трансурановые элементы давно распались и не встречаются на Земле. Торий, протактиний, уран и трансурановые элементы образуют группу актиноидов. В периодической системе элементов актиноиды расположены под лантаноидами, которые насчитывают в своей группе 14 элементов. Такое же количество элементов и в группе актиноидов. До 1940 г. были известны три первых актиноида, встречающиеся в природе: торий, протактиний и уран. Остальные 11 элементов группы актиноидов были получены в ядерных реакциях.

Большинство изотопов трансурановых элементов являются β-- излучателями. Это свойство радиоактивности и используют при получении изотопов трансурановых элементов. Первый изотоп химического элемента с порядковым номером Z = 93 был получен американским физиком Макмилланом в 1940 г. Он облучал ней-

тронами природный уран, состоящий из α-активных изотопов 23892 U

63

(99,3 %) и 23592 U (0,7%). В результате реакции 23892 U (п,γ) 23992 U и

дальнейшего β-распада 239U с периодом полураспада 23 мин:

возникал изотоп нового химического элемента с Z = 93. Он был назван нептунием. У нептуния известно 11 изотопов с массовыми числами от 231 и до 241. Наибольший интерес для изучения хими-

ческих свойств нептуния представляет изотоп 23993 Np с периодом полураспада 2,2 106 лет. Он образуется в цепочке превращений

Нептуний-237 принадлежит к радиоактивному семейству с массовыми числами А = 4п + 1. В дочерних продуктах β--активных изотопов нептуния порядковый номер увеличивается до Z = 94. Химический элемент с порядковым номером Z = 94 назван плутонием. Изучено более десяти изотопов плутония. Наибольший научный и практический интерес представляет изотоп плутония 239Pu с периодом полураспада 24000 лет. Плутоний-239 получают из 238U,

64

который облучают мощными потоками нейтронов. Большая исследовательская работа в области трансурановых элементов была проделана группой американских ученых (Сиборг, Мак-Миллан и др.) в Калифорнийском университете (г. Беркли).

Новые элементы получались при облучении тяжелых мишеней (A~240) пучками дейтонов и α-частиц, ускоренных в циклотроне. Так, америций Am и кюрий Cm образуются в цепочках превращений:

В последнее время для получения трансурановых элементов используют пучки ядер 126 C, 147 N, 168 O . Порядковый номер Z после

реакции увеличивается на шесть–восемь единиц. Таким способом были синтезированы эйнштейний Es, фермий Fm, менделевий Md, лоуренсий Lr и другие химические элементы. Например, при облу-

чении 238U ядрами 14N, ускоренными до 100 МэВ, идет реакция

23892 U(147 N,6n) 24699 Es .

65