Classificazione delle reazioni nucleari e loro impiego pratico. Reazioni nucleari. Reazioni sui neutroni lenti

Un ruolo importante nello sviluppo di idee sulla struttura dei nuclei è stato svolto dallo studio delle reazioni nucleari, che ha fornito ampie informazioni sugli spin e sulle parità degli stati eccitati dei nuclei e ha contribuito allo sviluppo del modello a guscio. Lo studio delle reazioni che comportano lo scambio di più nucleoni tra nuclei in collisione ha permesso di studiare la dinamica nucleare in uno stato con grandi momenti angolari. Di conseguenza, sono state scoperte lunghe bande di rotazione, che sono servite come una delle basi per creare un modello generalizzato del nucleo. Quando i nuclei pesanti si scontrano, si formano nuclei che non esistono in natura. La sintesi degli elementi transuranici si basa in gran parte sulla fisica dell'interazione dei nuclei pesanti. Nelle reazioni con ioni pesanti si formano nuclei lontani dalla banda di stabilità β. I nuclei lontani dalla banda di stabilità β differiscono dai nuclei stabili in un diverso rapporto tra le interazioni Coulomb e nucleari, il rapporto tra il numero di protoni e il numero di neutroni, una differenza significativa nelle energie di legame di protoni e neutroni, che si manifesta stesso in nuovi tipi di decadimento radioattivo: radioattività di protoni e neutroni e una serie di altre caratteristiche specifiche nuclei atomici.
Quando si analizzano le reazioni nucleari, è necessario tenere conto della natura ondulatoria delle particelle che interagiscono con i nuclei. La natura ondulatoria del processo di interazione delle particelle con i nuclei si manifesta chiaramente nello scattering elastico. Pertanto, per nucleoni con un'energia di 10 MeV, la lunghezza d'onda di de Broglie ridotta è inferiore al raggio del nucleo e durante la dispersione di un nucleone si verifica un modello caratteristico di massimi e minimi di diffrazione. Per nucleoni con un'energia di 0,1 MeV, la lunghezza d'onda è maggiore del raggio del nucleo e non c'è diffrazione. Per neutroni con energia<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Le reazioni nucleari sono un metodo efficace per studiare la dinamica nucleare. Le reazioni nucleari si verificano quando due particelle interagiscono. Durante una reazione nucleare, c'è uno scambio attivo di energia e quantità di moto tra le particelle, con conseguente formazione di una o più particelle che volano via dalla regione di interazione. Come risultato di una reazione nucleare, si verifica un complesso processo di riorganizzazione del nucleo atomico. Come nella descrizione della struttura del nucleo, nella descrizione delle reazioni nucleari è praticamente impossibile ottenere una soluzione esatta del problema. E proprio come la struttura del nucleo è descritta da vari modelli nucleari, il corso di una reazione nucleare è descritto da vari meccanismi di reazione. Il meccanismo di una reazione nucleare dipende da diversi fattori: il tipo di particella incidente, il tipo di nucleo bersaglio, l'energia della particella incidente e una serie di altri fattori. Uno dei casi limite di una reazione nucleare è reazione nucleare diretta. In questo caso, la particella incidente trasferisce energia a uno o due nucleoni del nucleo e lasciano il nucleo senza interagire con altri nucleoni del nucleo. Il tempo caratteristico di una reazione nucleare diretta è di 10 -23 s. Le reazioni nucleari dirette hanno luogo su tutti i nuclei a qualsiasi energia della particella incidente. Le reazioni nucleari dirette vengono utilizzate per studiare gli stati di particella singola dei nuclei atomici, perché i prodotti di reazione portano informazioni sulla posizione dei livelli da cui il nucleone viene eliminato. Con l'aiuto delle reazioni nucleari dirette, sono state ottenute informazioni dettagliate sulle energie e sull'occupazione degli stati di particella singola dei nuclei, che hanno costituito la base del modello a guscio del nucleo. L'altro caso limite sono le reazioni che procedono formazione di nuclei composti.

La descrizione del meccanismo delle reazioni nucleari è stata data nei lavori di W. Weisskopf.

W. Weiskopf: “Cosa succede quando una particella entra in un nucleo e si scontra con uno dei costituenti nucleari? La figura illustra alcune di queste possibilità.
1) La particella che cade perde parte della sua energia, portando la particella nucleare a uno stato superiore. Questo sarà il risultato della dispersione anelastica se la particella incidente viene lasciata con energia sufficiente per lasciare di nuovo il nucleo. Questo processo è chiamato scattering anelastico diretto perché comporta lo scattering da una sola parte costituente del nucleo.
2) La particella che cade trasferisce energia al moto collettivo, come è simbolicamente mostrato nel secondo diagramma della figura, anche questa è un'interazione diretta.
3) Nel terzo schema della figura, l'energia trasferita è abbastanza grande da estrarre il nucleone dal bersaglio. Questo processo contribuisce anche alla reazione nucleare diretta. In linea di principio, non differisce da 1), corrisponde alla "reazione di scambio".
4) Una particella in arrivo può perdere così tanta energia da rimanere legata all'interno del nucleo, l'energia trasferita può essere assorbita da un nucleone basso in modo tale che non possa lasciare il nucleo. Otteniamo quindi un nucleo eccitato che non può emettere un nucleone. Questo stato porta necessariamente a ulteriori eccitazioni dei nucleoni da collisioni interne, in cui l'energia per particella eccitata diminuisce in media, così che nella maggior parte dei casi il nucleone non può lasciare il nucleo. Di conseguenza, si raggiungerà uno stato con una vita lunghissima, che può decadere solo se una particella, in collisioni all'interno del nucleo, acquisisce accidentalmente energia sufficiente per lasciare il nucleo. Chiamiamo questa situazione la formazione di un nucleo composto. L'energia può anche essere persa per radiazione, dopo di che la fuga di una particella diventa energeticamente impossibile: il nucleone incidente subisce la cattura radiativa.
5) La formazione di un nucleo composto può essere effettuata in due o più fasi, se dopo un processo di tipo 1) o 2) il nucleone incidente nel suo cammino colpisce un altro nucleone e lo eccita in modo tale che sia impossibile per qualsiasi nucleone per lasciare il nucleo.

Per la prima volta, l'idea di una reazione nucleare che procede attraverso lo stadio di un nucleo composto è stata espressa da N. Bohr. Secondo il modello del nucleo composto, una particella incidente, dopo aver interagito con uno o due nucleoni del nucleo, trasferisce la maggior parte della sua energia al nucleo e viene catturata dal nucleo. La vita di un nucleo composto è molto più lunga del tempo di volo di una particella incidente attraverso il nucleo. L'energia introdotta dalla particella incidente nel nucleo viene ridistribuita tra i nucleoni del nucleo fino a quando una parte significativa di essa non viene concentrata su una particella, quindi vola fuori dal nucleo. La formazione di uno stato eccitato di lunga durata può portare alla sua fissione a causa della deformazione.

N. Bor: “Il fenomeno della cattura dei neutroni fa supporre che la collisione tra un neutrone veloce ed un nucleo pesante debba portare, innanzitutto, alla formazione di un sistema complesso caratterizzato da una notevole stabilità. L'eventuale successivo decadimento di questo sistema intermedio con l'espulsione di una particella materiale o il passaggio allo stato finale con l'emissione di un quanto di energia radiante sono da considerarsi processi indipendenti che non hanno alcun collegamento diretto con la prima fase dell'urto. Incontriamo qui una differenza essenziale, finora non riconosciuta, tra le reazioni nucleari reali - le collisioni ordinarie di particelle veloci e sistemi atomici - collisioni che finora sono state la nostra principale fonte di informazioni sulla struttura dell'atomo. Infatti, la possibilità di contare le singole particelle atomiche attraverso tali collisioni e di studiarne le proprietà è dovuta, in primo luogo, all'"apertura" dei sistemi in esame, che rende molto improbabile lo scambio di energia tra le singole particelle costituenti durante l'impatto. Tuttavia, a causa dello stretto impaccamento delle particelle nel nucleo, dobbiamo essere preparati al fatto che è questo scambio di energia che gioca il ruolo principale nelle tipiche reazioni nucleari.

Classificazione delle reazioni nucleari. Le reazioni nucleari sono un mezzo efficace per studiare la struttura dei nuclei atomici. Se la lunghezza d'onda della particella incidente è maggiore della dimensione del nucleo, in tali esperimenti si ottengono informazioni sul nucleo nel suo insieme. Se la dimensione del nucleo è più piccola, le informazioni sulla distribuzione della densità della materia nucleare, la struttura della superficie del nucleo, la correlazione tra i nucleoni nel nucleo e la distribuzione dei nucleoni sui gusci nucleari vengono estratte dal sezioni d'urto di reazione.

• L'eccitazione coulombiana dei nuclei sotto l'azione di particelle cariche relativamente grandi (protoni, particelle α e ioni di carbonio pesante e azoto) viene utilizzata per studiare i livelli di rotazione bassi dei nuclei pesanti.
• Le reazioni con ioni pesanti su nuclei pesanti, che portano alla fusione di nuclei in collisione, sono il metodo principale per ottenere nuclei atomici superpesanti.
• Reazioni di fusione di nuclei leggeri a energie di collisione relativamente basse (le cosiddette reazioni termonucleari). Queste reazioni si verificano a causa del tunneling quantomeccanico attraverso la barriera di Coulomb. Le reazioni termonucleari avvengono all'interno delle stelle a temperature di 10 7 -10 10 K e sono la principale fonte di energia stellare.
• Le reazioni fotonucleari ed elettronucleari si verificano quando γ-quanta ed elettroni con energia E > 10 MeV entrano in collisione con i nuclei.
• Reazioni di fissione di nuclei pesanti, accompagnate da un profondo riarrangiamento del nucleo.
• Le reazioni nei fasci di nuclei radioattivi aprono possibilità per ottenere e studiare nuclei con un rapporto insolito tra il numero di protoni e neutroni che sono lontani dalla linea di stabilità.

La classificazione delle reazioni nucleari viene solitamente effettuata in base al tipo e all'energia della particella incidente, al tipo di nuclei bersaglio e all'energia della particella incidente.

Reazioni sui neutroni lenti

“1934 Una mattina Bruno Pontecorvo ed Eduardo Amaldi stavano testando la radioattività di alcuni metalli. Questi campioni sono stati modellati in piccoli cilindri cavi della stessa dimensione, all'interno dei quali poteva essere collocata una sorgente di neutroni. Per irradiare un tale cilindro, è stata inserita una sorgente di neutroni, quindi tutto è stato posto in una scatola di piombo. In questa mattina memorabile, Amaldi e Pontecorvo stavano sperimentando con l'argento. E all'improvviso Pontecorvo si accorse che stava succedendo qualcosa di strano con il cilindro d'argento: la sua attività non è sempre la stessa, cambia a seconda di dove è posizionato, al centro o nell'angolo della scatola di piombo. Completamente disorientati, Amaldi e Pontecorvo andarono a riferire questo miracolo a Fermi e Razetti. Franke era incline ad attribuire queste stranezze a qualche errore statistico o misurazioni imprecise. Ed Enrico, che credeva che ogni fenomeno richiedesse una verifica, suggerì di provare a irradiare questo cilindro d'argento fuori dalla scatola di piombo e vedere cosa succede. E poi hanno fatto miracoli assolutamente incredibili. Si è scoperto che gli oggetti nelle vicinanze del cilindro possono influenzarne l'attività. Se il cilindro veniva irradiato stando in piedi su un tavolo di legno, la sua attività era maggiore rispetto a quando veniva appoggiato su una lastra di metallo. Ora l'intero gruppo si è interessato a questo e tutti hanno preso parte agli esperimenti. Hanno posizionato la sorgente di neutroni all'esterno del cilindro e hanno posizionato vari oggetti tra esso e il cilindro. La piastra di piombo ha leggermente aumentato l'attività. Guida−sostanza pesante. "Dai, proviamo quello facile ora!−suggerito da Fermi.−Diciamo paraffina. La mattina del 22 ottobre è stato fatto un esperimento con la paraffina.
Presero un grosso pezzo di paraffina, vi scavarono un buco e vi misero una sorgente di neutroni, irradiarono un cilindro d'argento e lo portarono a un contatore Geiger. Il bancone, come se fosse uscito dalla catena, si spezzò. L'intero edificio tuonava di esclamazioni: “Impensabile! Inimmaginabile! Magia nera!" La paraffina ha aumentato cento volte la radioattività artificiale dell'argento.
A mezzogiorno un gruppo di fisici si disperdeva a malincuore per una pausa fissata per la colazione, che per loro di solito durava due ore... Enrico approfittò della sua solitudine, e quando tornò in laboratorio aveva già pronta una teoria che spiegava il strano effetto della paraffina.

Le reazioni nucleari sono le trasformazioni dei nuclei atomici durante l'interazione con particelle elementari (incluso y-quanta) o tra loro. Il tipo più comune di reazione nucleare è la reazione, scritta simbolicamente come segue:

dove X e Y sono i kernel iniziali e finali, un e b- bombardare ed emettere (o emettere) in una reazione nucleare particelle.

In ogni reazione nucleare, sono soddisfatte le leggi di conservazione della carica e dei numeri di massa: somma delle spese (massiccio) il numero di nuclei e particelle che entrano in una reazione nucleare è uguale alla somma dei numeri di carica (massa) dei prodotti finali (nuclei e particelle) della reazione. Anche eseguito leggi di conservazione dell'energia, quantità di moto e momento di slancio.

A differenza del decadimento radioattivo, che procede sempre con il rilascio di energia, le reazioni nucleari possono essere sia esotermiche (con rilascio di energia) che endotermiche (con assorbimento di energia).

Un ruolo importante nello spiegare il meccanismo di molte reazioni nucleari è stato svolto dall'ipotesi di N. Bohr (1936) che le reazioni nucleari procedano in due fasi secondo il seguente schema:

Il primo stadio è la cattura della particella a da parte del nucleo X, avvicinandosi ad essa a una distanza di azione delle forze nucleari (circa 2 10 15 m), e la formazione di un nucleo intermedio C, chiamato composto (o composto-nucleo) . L'energia di una particella che è volata nel nucleo viene rapidamente distribuita tra i nucleoni del nucleo composto, per cui è in uno stato eccitato. Nella collisione di nucleoni di un nucleo composto, uno dei nucleoni (o una loro combinazione, ad esempio un deuterone - il nucleo di un isotopo pesante di idrogeno - deuterio, contenente un protone e un neutrone) o una particella cx può ricevere energia sufficiente per sfuggire al nucleo. Di conseguenza, è possibile il secondo stadio della reazione nucleare: il decadimento del nucleo composto nel nucleo Y e nella particella b.

Classificazione delle reazioni nucleari

In base al tipo di particelle coinvolte nelle reazioni:

• reazioni sotto l'azione dei neutroni;
• reazioni sotto l'azione di particelle cariche (ad esempio, protoni, (particelle X).

Secondo l'energia delle particelle che causano la reazione:

• reazioni a basse energie (dell'ordine di eV), che si verificano principalmente con la partecipazione di neutroni;
• reazioni a energie medie (diversi MeV) che coinvolgono quanti e particelle cariche;
• reazioni ad alte energie (centinaia e migliaia di MeV), che portano alla nascita di assenti allo stato libero particelle elementari e avere Grande importanza per studiarli.

Secondo il tipo di nuclei coinvolti nelle reazioni:

• reazioni sui nuclei leggeri (LA 50);
• reazioni su nuclei medi (50 A
• reazioni sui nuclei pesanti (A > 150).

Per la natura delle trasformazioni nucleari in corso:

• reazioni con emissione di neutroni;
• reazioni con emissione di particelle cariche. La prima reazione nucleare in assoluto (Rutherford; 1919)

Una reazione nucleare è il processo di riorganizzazione del nucleo, accompagnato dalla generazione di nuove particelle, che sorgono sotto l'azione o come risultato dell'interazione di due nuclei o un nucleo e una particella quando si avvicinano l'un l'altro a distanze alle quali l'azione delle forze nucleari comincia a manifestarsi.

A condizioni di laboratorio le reazioni nucleari vengono effettuate principalmente bombardando i nuclei con fasci di particelle veloci. Come risultato della collisione, compaiono nuove particelle, l'energia e la quantità di moto delle particelle vengono ridistribuite.

La reazione viene registrata in una forma simile alla registrazione delle reazioni chimiche:

Oppure, che è più accettato nella fisica nucleare, come

dove a è la particella del fascio, A è il nucleo bersaglio, la particella emessa, B è il nucleo prodotto (o nucleo finale).

Una registrazione completa di una reazione nucleare contiene i simboli degli elementi, il numero di cariche e i numeri di massa. Ad esempio, la prima reazione compiuta da Rutherford nel 1919 può essere scritta come

Se una noi stiamo parlando di tipo generale reazione, indipendentemente dal particolare tipo di bersaglio, la registrazione viene effettuata anche nella forma seguente:

La prima lettera tra parentesi indica il tipo di particella incidente, la lettera (o le lettere) dopo il punto decimale indica quali particelle si formano a seguito della reazione oltre al nucleo di rinculo.

Una collisione di una particella bombardante con un nucleo bersaglio può causare vari effetti:

1. Scattering elastico - un'interazione in cui la particella e il nucleo mantengono la loro individualità e si verifica solo la ridistribuzione della loro energia cinetica. Il movimento delle particelle dopo l'interazione obbedisce alle leggi dell'impatto elastico. La composizione e l'energia interna del nucleo, così come il tipo di particella, non cambiano:

2. Dispersione anelastica. In questo caso, la particella emessa è dello stesso tipo di quella incidente, ma il nucleo finale è formato in uno stato eccitato, indicato da un asterisco. Anche la composizione del nucleo non cambia:

3. L'effettiva reazione nucleare è un'interazione in cui il proprietà interne e la composizione del nucleo bersaglio e viene emessa una nuova particella:

Ognuna di queste equazioni determina, come si suol dire, il proprio canale di reazione.

Sezioni d'urto e rese di reazioni nucleari.

Nello studio di una reazione nucleare, cercano di determinare: la probabilità del suo flusso attraverso vari canali a diverse energie delle particelle incidenti - il cosiddetto "rendimento" di questa reazione, la distribuzione angolare ed energetica dei prodotti di reazione.

Come già accennato, la sezione d'urto effettiva della reazione esprime la probabilità del verificarsi di una data trasformazione per quando un nucleo viene bombardato con un flusso con densità di 1 particella al secondo al secondo.Se il bersaglio contiene nuclei e un flusso di I particelle cadono su di esso per 1 secondo, quindi le trasformazioni nucleari si verificano in 1 secondo. La sezione trasversale effettiva totale è la somma delle sezioni trasversali dei processi in tutti i canali

Una caratteristica importante la reazione è la dipendenza della sezione d'urto effettiva dall'energia della particella incidente:

Queste dipendenze sono chiamate funzioni di eccitazione della reazione nucleare.

La resa di una reazione a una data energia di particelle incidenti, cioè il rapporto tra il numero di eventi di reazione che si sono verificati e il numero di particelle cadute sul bersaglio, a condizione che lo stesso flusso di particelle bombardanti cada su tutti i nuclei bersaglio. La resa può essere calcolata conoscendo la sezione trasversale effettiva del processo dove è il numero di atomi target in una colonna con una sezione trasversale e un'altezza pari allo spessore target

Se la densità della sostanza bersaglio, allora

Per un bersaglio spesso, in cui c'è sia una variazione di energia che una diminuzione del flusso di particelle, l'espressione per la resa delle reazioni nucleari ha una forma più complessa.

Turchina N.V. La fisica nei compiti per i candidati universitari - M.: Oniks, 2008. - 768 p.
ISBN 978-5-94666-452-3
Scarica(collegamento diretto) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Precedente 1 .. 157 > .. >> Successivo

20.5.7. La cattura risonante di un neutrone da parte dell'isotopo 292U dell'uranio produce un isotopo radioattivo dell'uranio 239U. Subisce P-decadimento e si trasforma in un isotopo dell'elemento transuranio nettunio 2^Np. Il nettunio è P-radioattivo e si trasforma

convertito in plutonio 94Pu, che svolge un ruolo fondamentale nell'ottenimento di energia nucleare. Annotare le reazioni nucleari descritte.

20.5.8. La maggior parte delle reazioni nucleari può procedere in diversi modi, chiamati "canali di reazione". Ad esempio, quando l'isotopo di litio 7Ll viene irradiato con protoni,

398
vagano: a) due nuclei identici; b) il nucleo dell'isotopo di berillio Be e il neutrone. Scrivi le reazioni dei "canali di reazione" indicati.

20.5.9. Scrivi i simboli mancanti per le seguenti reazioni:

h 27 .., 1 LA ", 4TT ... 56--, LA " 56 ", 1

a) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; b) 25 MP + z X ^ 26 Fe + 0 n ;

A 1 22 4 27 26 A

c) ZX + iH ^ nNa + 2He; d) 13Al + Y ^ 12 Mg + zx*

20.5.10. L'elemento ruterfordio è stato ottenuto irradiando il plutonio

94Pu con nuclei neon 10Ne. Scrivi la reazione se è noto che oltre ad essa si formano altri quattro neutroni.

20.6. Energia di una reazione nucleare

20.6.1. Determina l'energia della reazione nucleare 3Li + 1H ^ ^24He.

20.6.2. Determinare gli effetti termici delle seguenti reazioni:

a) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n; b) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

c) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n; d) 8O + 1d ^ 7N + 2a.

20.6.3. Qual è l'energia minima che una particella a deve avere

per effettuare la reazione nucleare 3Li + 2He° 5B + 0n ?

20.6.4. Trova l'energia del quanto Y emesso durante il nucleare

23 reazioni 1H + n^1H + Y.

20.6.5. Durante l'esplosione di una bomba all'idrogeno, si verifica una reazione termonucleare della formazione di atomi di elio 4He dal deuterio 1n e dal trizio 1n.

Scrivi una reazione nucleare e determina la sua produzione di energia.

20.6.6. Determina l'energia della reazione nucleare 4Be +1H ^

^14Be + ^H. Quale energia verrà rilasciata durante la reazione completa del berillio con una massa m = 1 g?

20.6.7. La reazione termonucleare 1h + 2He ^ 4He + ^p procede con il rilascio di energia E1 = 18,4 MeV. In quale energia viene rilasciata

reazione 3He + 2He ^ !He + 2^ , se il difetto di massa del nucleo 2He è

Am = 0,006 amu più del nucleo 1H ?

399
20.6.8. Usando la definizione di energia di legame, mostrare che l'energia richiesta per separare il nucleo C nei nuclei A e B può essere rappresentata come: Eab = Ec - (Ea + Eb), dove Ea, Eb, Ec sono le energie di legame del corrispondente nuclei. Determinare l'energia richiesta per separare il nucleo di ossigeno 16O in una particella a e un nucleo di carbonio 12C. Energie di legame: E16^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12^ =

92.16 MeV.

20.6.9. Nella reazione 3Li + 1H ^ 3Li + 1p, viene rilasciata energia Q = 5.028 MeV. L'energia di legame del nucleo di litio E1 = 39,2 MeV, deuterio E2 = 1,72 MeV. Determina la massa del nucleo di litio.

20.6.10. Durante la fissione dei nuclei con un'energia di legame specifica є = 8,5 MeV/nucle, si formano due frammenti: uno con un numero di massa Ai = 140 e un'energia di legame specifica Єї = 8,3 MeV/nucle, l'altro con un numero di massa A2 = 94 e un'energia di legame specifica є2 = 8,6 MeV. Stimare la quantità di calore che verrà rilasciata dividendo la massa m = 1 g dei nuclei iniziali. Conte tr = mn =

1.6724 10-27 kg.

20.6.11. Assumendo che in un atto di fissione del nucleo di uranio 235U venga rilasciata energia Eo = 200 MeV, determinare l'energia rilasciata durante la combustione m = 1 kg di uranio e la massa di carbone mi, termicamente equivalente a 1 kg di uranio.

20.6.12. Durante la fissione del nucleo di uranio 235U viene rilasciata energia Q = 200 MeV. Quale frazione dell'energia a riposo dell'uranio è l'energia rilasciata?

20.6.13. Determinare la portata massica del combustibile nucleare 235U in reattore nucleare centrale nucleare. Potenza termica della centrale P = 10 MW; la sua efficienza n = 20%. L'energia rilasciata durante un evento di fissione è Q = 200 MeV.

20.6.14. Trova la potenza di una centrale nucleare che consuma m = 220 g dell'isotopo di uranio 235U al giorno e ha un'efficienza di n = 25%. Si supponga che in un atto di fissione di 235U venga rilasciata l'energia Q = 200 MeV.

20.6.15. Per fondere l'alluminio, viene utilizzata l'energia rilasciata durante il decadimento P del positrone degli isotopi di carbonio 11C, con ciascun nucleo di carbonio che emette un positrone. I prodotti di decadimento non sono radioattivi. Per quanto carbonio 1I1C è richiesto

fusione M = 100 tonnellate di alluminio per i = 30 min, se la temperatura iniziale dell'alluminio è 0o = 20 °C?

20.6.16. Sodio e Na del peso di m = 10 g, che presentano un decadimento P elettronico, vengono posti in un'ampolla in un serbatoio contenente

400
M = 1000 tonnellate di acqua. I prodotti di decadimento non sono radioattivi. Il periodo di

decadimento del sodio T = ^ giorni. Di quanti gradi aumenterà la temperatura dell'acqua durante il primo giorno dall'inizio della decomposizione del sodio?

20.6.17. Il polonio 84P0 decade con l'emissione di una particella a

e la formazione di nuclei di piombo. I prodotti di decadimento non sono radioattivi. L'emivita del polonio T = 140 giorni. Quale massa di ghiaccio, presa alla temperatura di 0 = 0 0°C, può essere fusa utilizzando l'energia rilasciata durante il decadimento di m = 10 g di polonio nel tempo t = 35 giorni?

20.7. Reazioni nucleari e leggi di conservazione

20.7.1. Il nucleo di polonio 84P0 a riposo ha espulso una particella a con un'energia cinetica Ek = 5,3 MeV. Determinare l'energia cinetica del nucleo di rinculo e l'energia totale rilasciata durante un decadimento.

Ci sono varie interpretazioni del termine reazioni nucleari. A senso ampio Una reazione nucleare è qualsiasi processo che inizia con la collisione di due, raramente diverse, particelle (semplici o complesse) e procede, di regola, con la partecipazione di interazioni forti. Questa definizione è soddisfatta anche dalle reazioni nucleari in in senso stretto Questa parola, che si riferisce a processi che iniziano con la collisione di una particella semplice o complessa (nucleone, a-particella, y-quantum) con un nucleo. Si noti che la definizione di reazione soddisfa come caso speciale, e lo scattering di particelle.1 Di seguito sono riportati due esempi di reazioni nucleari.

Storicamente la prima reazione nucleare (Rutherford, 1919 - scoperta del protone):

Scoperta del neutrone (Chadwick, 1932):

Lo studio delle reazioni nucleari è necessario per ottenere informazioni sulle proprietà di nuovi nuclei e particelle elementari, stati eccitati dei nuclei, ecc. Non va dimenticato che nel microcosmo, per la presenza di leggi quantistiche, è impossibile “guardare” una particella o un nucleo. Pertanto, il metodo principale per studiare i micro-oggetti è lo studio delle loro collisioni, cioè delle reazioni nucleari. Da un punto di vista applicato, le reazioni nucleari sono necessarie per l'uso dell'energia nucleare, nonché per la produzione di radionuclidi artificiali.

Le reazioni nucleari possono verificarsi in condizioni naturali (ad esempio, all'interno delle stelle o nei raggi cosmici). Ma il loro studio viene solitamente condotto in condizioni di laboratorio, su allestimenti sperimentali. Per l'attuazione delle reazioni nucleari, è necessario avvicinare particelle o nuclei ai nuclei fino a distanze dell'ordine del raggio d'azione delle forze nucleari. L'avvicinamento delle particelle cariche ai nuclei è impedito dalla barriera di Coulomb. Pertanto, per eseguire reazioni nucleari su particelle cariche, usano acceleratori, in cui le particelle, accelerando in un campo elettrico, acquisiscono l'energia necessaria per superare la barriera. A volte questa energia è paragonabile all'energia di riposo della particella o addirittura la supera: in questo caso il moto è descritto dalle leggi della meccanica relativistica. Negli acceleratori convenzionali ( acceleratore lineare, ciclotrone ecc.) la più pesante delle due particelle in collisione, di regola, è a riposo, mentre quella più leggera è urtata. Si chiama una particella a riposo obiettivo (inglese - obbiettivo). Sovrapposizione, o bombardando, le particelle in lingua russa non hanno ricevuto un nome speciale (in lingua inglese si usa il termine proiettile). Negli acceleratori di raggio in collisione (collider) entrambe le particelle in collisione si muovono, in modo che la separazione in un bersaglio e in un raggio di particelle incidenti diventi priva di significato.

L'energia di una particella carica in una reazione può essere anche inferiore all'altezza della barriera di Coulomb, come avvenne negli esperimenti classici di J. Cockcroft e E. Walton, che nel 1932 divisero artificialmente i nuclei di litio bombardandoli con accelerati corre. Nei loro esperimenti, la penetrazione del protone nel nucleo bersaglio avveniva scavalcando la barriera del potenziale di Coulomb (vedi Lezione 7). La probabilità di un tale processo è, ovviamente, molto bassa a causa della scarsa trasparenza della barriera.

Esistono diversi modi per registrare simbolicamente le reazioni nucleari, due delle quali sono riportate di seguito:

Un insieme di particelle in collisione in un certo stato quantistico (ad esempio, R e Li) sono chiamati canale di ingresso reazione nucleare. Le collisioni delle stesse particelle (canale di ingresso fisso) nel caso generale possono portare alla comparsa di vari prodotti di reazione. Pertanto, nelle collisioni di protoni con Li, reazioni Li (R, 2a), Li (R,P) Be, 7 Li(/;, df Essere, ecc. In questo caso si parla di processi concorrenti, o di un insieme canali di uscita.

Le reazioni nucleari sono spesso scritte in una forma ancora più breve: (a, b) - quelli. indicando solo particelle leggere e non indicando i nuclei coinvolti nella reazione. Ad esempio, la voce (/>, P) significa che un protone elimina un neutrone da un nucleo, ( P, y) - assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo con emissione di un quanto y, ecc.

Classificazione delle reazioni nucleari può essere effettuato per i seguenti motivi:

I. Per tipo di processo in corso

• 1) cattura delle radiazioni: (l, y),(R,y)
• 2) effetto fotoelettrico nucleare: (y, l), (y, R)
• 3) reazioni nucleone-nucleone:
  • a) eliminando un nucleone o un gruppo di nucleoni (n, R),(R, a), ecc.
  • b) "evaporazione" di nucleoni (/?, 2n), (R, 2R) eccetera.
  • c) ripartizione ( d, /?), (d, p) e ritiro (p, d), (l, d)
• 4) divisione: (l, D (r, D O /, U)
• 5) sintesi (fusione)
• 6) dispersione anelastica: (l, l ')
• 7) dispersione elastica: (l, l)

//. Sulla base del rilascio o dell'assorbimento di energia

• 1) reazioni esotermiche
• 2) reazioni endotermiche

III. Dall'energia delle particelle che bombardano

• 1) basse energie (
• 2) energie medie (1 keV-10 MeV)
• 3) alte energie (> 10 MeV)

IV. Dalla massa dei nuclei bombardati

• 1) su nuclei leggeri (A 50)
• 2) su nuclei di media massa (50 A
• 3) su nuclei pesanti (MA > 100)

V Secondo il tipo di particelle bombardanti

• 1) sulle particelle cariche (/;, s!,a e ioni più pesanti)
• 2) sui neutroni
• 3) sui fotoni (reazioni fotonucleari)

• Durante lo scattering elastico, le particelle non subiscono alcun cambiamento interno e non compaiono nuove particelle. C'è solo una ridistribuzione di energia e slancio tra di loro. Nello scattering anelastico, insieme a tale scambio, c'è un cambiamento nello stato interno di almeno una delle particelle.
• Per gli acceleratori di particelle, vedere la Lezione 15.
• d è il simbolo accettato per il deuterone, il nucleo dell'atomo di deuterio.