Klasifikácia jadrových reakcií a ich praktické využitie. Jadrové reakcie. Reakcie na pomalých neutrónoch

Dôležitú úlohu vo vývoji predstáv o štruktúre jadier zohralo štúdium jadrových reakcií, ktoré poskytlo rozsiahle informácie o spinoch a paritách excitovaných stavov jadier a prispelo k vývoju modelu obalu. Štúdium reakcií zahŕňajúcich výmenu niekoľkých nukleónov medzi zrážajúcimi sa jadrami umožnilo študovať jadrovú dynamiku v stave s veľkými uhlovými hybnosťami. V dôsledku toho boli objavené dlhé rotačné pásy, ktoré slúžili ako jeden zo základov pre vytvorenie zovšeobecneného modelu jadra. Pri zrážke ťažkých jadier vznikajú jadrá, ktoré v prírode neexistujú. Syntéza transuránových prvkov je z veľkej časti založená na fyzike interakcie ťažkých jadier. Pri reakciách s ťažkými iónmi vznikajú jadrá, ktoré sú ďaleko od β-pásu stability. Jadrá vzdialené od pásma β-stability sa od stabilných jadier líšia iným pomerom medzi coulombovskými a jadrovými interakciami, pomerom medzi počtom protónov a počtom neutrónov, výrazným rozdielom vo väzbových energiách protónov a neutrónov, čo sa prejavuje napr. seba v nových typoch rádioaktívneho rozpadu – protónovej a neutrónovej rádioaktivite a rade ďalších špecifických vlastností atómové jadrá.
Pri analýze jadrových reakcií je potrebné vziať do úvahy vlnovú povahu častíc interagujúcich s jadrami. Vlnový charakter procesu interakcie častíc s jadrami sa zreteľne prejavuje v elastickom rozptyle. Pre nukleóny s energiou 10 MeV je teda redukovaná de Broglieho vlnová dĺžka menšia ako polomer jadra a pri rozptyle nukleónu vzniká charakteristický obrazec difrakčných maxím a miním. Pre nukleóny s energiou 0,1 MeV je vlnová dĺžka väčšia ako polomer jadra a nedochádza k difrakcii. Pre neutróny s energiou<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Jadrové reakcie sú účinnou metódou na štúdium jadrovej dynamiky. Jadrové reakcie nastávajú pri interakcii dvoch častíc. Pri jadrovej reakcii dochádza k aktívnej výmene energie a hybnosti medzi časticami, čo vedie k vytvoreniu jednej alebo viacerých častíc, ktoré odletia z oblasti interakcie. V dôsledku jadrovej reakcie nastáva zložitý proces preskupovania atómového jadra. Rovnako ako pri popise štruktúry jadra, aj pri popise jadrových reakcií je prakticky nemožné získať presné riešenie problému. A tak ako štruktúru jadra popisujú rôzne nukleárne modely, priebeh jadrovej reakcie popisujú rôzne reakčné mechanizmy. Mechanizmus jadrovej reakcie závisí od viacerých faktorov: od typu dopadajúcej častice, od typu cieľového jadra, od energie dopadajúcej častice a od množstva ďalších faktorov. Jedným z limitujúcich prípadov jadrovej reakcie je priama jadrová reakcia. V tomto prípade dopadajúca častica odovzdá energiu jednému alebo dvom nukleónom jadra a tie opustia jadro bez interakcie s inými nukleónmi jadra. Charakteristický čas priamej jadrovej reakcie je 10 -23 s. Priame jadrové reakcie prebiehajú na všetkých jadrách pri akejkoľvek energii dopadajúcej častice. Priame jadrové reakcie sa využívajú na štúdium jednočasticových stavov atómových jadier, pretože reakčné produkty nesú informáciu o polohe hladín, z ktorých je nukleón vyradený. Pomocou priamych jadrových reakcií sa získali podrobné informácie o energiách a obsadení jednočasticových stavov jadier, ktoré tvorili základ obalového modelu jadra. Ďalším obmedzujúcim prípadom sú prebiehajúce reakcie tvorba zloženého jadra.

Opis mechanizmu jadrových reakcií bol uvedený v prácach W. Weisskopfa.

W.Weiskopf: „Čo sa stane, keď častica vstúpi do jadra a zrazí sa s jednou z jadrových zložiek? Obrázok ilustruje niektoré z týchto možností.
1) Padajúca častica stratí časť svojej energie, čím sa jadrová častica dostane do vyššieho stavu. Bude to dôsledok nepružného rozptylu, ak dopadajúcej častici zostane dostatok energie na to, aby jadro opäť opustila. Tento proces sa nazýva priamy nepružný rozptyl, pretože zahŕňa rozptyl iba z jednej základnej časti jadra.
2) Padajúca častica prenáša energiu do kolektívneho pohybu, ako je to symbolicky znázornené na druhom diagrame na obrázku, ide tiež o priamu interakciu.
3) V tretej schéme obrázku je prenesená energia dostatočne veľká na to, aby vytiahla nukleón z cieľa. Tento proces tiež prispieva k priamej jadrovej reakcii. V zásade sa nelíši od 1), zodpovedá „výmennej reakcii“.
4) Prichádzajúca častica môže stratiť toľko energie, že zostane viazaná vo vnútri jadra, odovzdanú energiu môže nízko položený nukleón prijať tak, že nemôže jadro opustiť. Potom dostaneme excitované jadro, ktoré nemôže emitovať nukleón. Tento stav nutne vedie k ďalším excitáciám nukleónov vnútornými zrážkami, pri ktorých energia na excitovanú časticu v priemere klesá, takže vo väčšine prípadov nukleón nemôže jadro opustiť. V dôsledku toho sa dosiahne stav s veľmi dlhou životnosťou, ktorý sa môže rozpadnúť iba vtedy, ak jedna častica pri zrážkach vo vnútri jadra náhodne získa dostatočnú energiu na to, aby jadro opustila. Túto situáciu nazývame vznik zloženého jadra. Energia sa môže stratiť aj žiarením, po ktorom sa únik častice stane energeticky nemožným: dopadajúci nukleón zažije radiačné zachytenie.
5) Tvorba zloženého jadra sa môže uskutočniť v dvoch alebo viacerých krokoch, ak po procese typu 1) alebo 2) dopadajúci nukleón na svojej ceste narazí na iný nukleón a excituje ho takým spôsobom, že je nemožné akýkoľvek nukleón opustiť jadro.

Prvýkrát myšlienku jadrovej reakcie prebiehajúcej cez štádium zloženého jadra vyjadril N. Bohr. Podľa modelu zloženého jadra dopadajúca častica po interakcii s jedným alebo dvoma nukleónmi jadra prenesie väčšinu svojej energie do jadra a jadro ju zachytí. Životnosť zloženého jadra je oveľa dlhšia ako doba letu dopadajúcej častice cez jadro. Energia, ktorú dopadajúca častica vnesie do jadra, sa prerozdeľuje medzi nukleóny jadra, až kým sa jej významná časť neskoncentruje na jednu časticu, a potom vyletí z jadra von. Vznik dlhotrvajúceho excitovaného stavu môže viesť k jeho štiepeniu v dôsledku deformácie.

N. Bor: „Fenomén zachytávania neutrónov nás vedie k predpokladu, že kolízia medzi rýchlym neutrónom a ťažkým jadrom by mala viesť predovšetkým k vytvoreniu komplexného systému vyznačujúceho sa pozoruhodnou stabilitou. Prípadný následný rozpad tohto medzisystému s vyvrhnutím hmotnej častice alebo prechodom do konečného stavu s emisiou kvanta žiarivej energie treba považovať za nezávislé procesy, ktoré nemajú priamu súvislosť s prvou fázou zrážky. Stretávame sa tu s podstatným, doteraz nepoznaným rozdielom medzi skutočnými jadrovými reakciami – obyčajnými zrážkami rýchlych častíc a atómových systémov – kolíziami, ktoré boli doteraz naším hlavným zdrojom informácií o štruktúre atómu. Možnosť spočítať jednotlivé atómové častice prostredníctvom takýchto zrážok a študovať ich vlastnosti je totiž v prvom rade spôsobená „otvorenosťou“ uvažovaných systémov, vďaka čomu je výmena energie medzi jednotlivými časticami počas dopadu veľmi nepravdepodobná. Vzhľadom na tesné zbalenie častíc v jadre sa však musíme pripraviť na to, že práve táto výmena energie hrá hlavnú úlohu pri typických jadrových reakciách.

Klasifikácia jadrových reakcií. Jadrové reakcie sú účinným prostriedkom na štúdium štruktúry atómových jadier. Ak je vlnová dĺžka dopadajúcej častice väčšia ako veľkosť jadra, potom sa pri takýchto experimentoch získajú informácie o jadre ako celku. Ak je veľkosť jadra menšia, potom sa z neho získajú informácie o rozložení hustoty jadrovej hmoty, štruktúre povrchu jadra, korelácii medzi nukleónmi v jadre a rozložení nukleónov v jadrových obaloch. reakčné prierezy.

• Coulombova excitácia jadier pôsobením relatívne veľkých nabitých častíc (protónov, α-častíc a ťažkých iónov uhlíka a dusíka) sa používa na štúdium nízko položených rotačných hladín ťažkých jadier.
• Reakcie s ťažkými iónmi na ťažkých jadrách, ktoré vedú k fúzii kolidujúcich jadier, sú hlavnou metódou na získanie superťažkých atómových jadier.
• Fúzne reakcie ľahkých jadier pri relatívne nízkych zrážkových energiách (tzv. termonukleárne reakcie). Tieto reakcie sa vyskytujú v dôsledku kvantového mechanického tunelovania cez Coulombovu bariéru. Termonukleárne reakcie prebiehajú vo vnútri hviezd pri teplotách 10 7 – 10 10 K a sú hlavným zdrojom hviezdnej energie.
• Fotonukleárne a elektronukleárne reakcie nastávajú pri zrážke γ-kvant a elektrónov s energiou E > 10 MeV s jadrami.
• Štiepne reakcie ťažkých jadier sprevádzané hlbokým preskupením jadra.
• Reakcie v zväzkoch rádioaktívnych jadier otvárajú možnosti získavania a štúdia jadier s nezvyčajným pomerom počtu protónov a neutrónov, ktoré sú ďaleko od čiary stability.

Klasifikácia jadrových reakcií sa zvyčajne vykonáva podľa typu a energie dopadajúcej častice, typu cieľových jadier a energie dopadajúcej častice.

Reakcie na pomalých neutrónoch

„1934 Jedného rána Bruno Pontecorvo a Eduardo Amaldi testovali rádioaktivitu niektorých kovov. Tieto vzorky boli tvarované do malých dutých valcov rovnakej veľkosti, do ktorých mohol byť umiestnený zdroj neutrónov. Na ožiarenie takéhoto valca sa do neho vložil zdroj neutrónov a potom sa všetko umiestnilo do olovenej skrinky. V toto významné ráno Amaldi a Pontecorvo experimentovali so striebrom. A zrazu si Pontecorvo všimol, že so strieborným valcom sa deje niečo zvláštne: jeho činnosť nie je vždy rovnaká, mení sa v závislosti od toho, kde je umiestnený, v strede alebo v rohu olovenej skrinky. Úplne zmätení Amaldi a Pontecorvo išli oznámiť tento zázrak Fermimu a Razettimu. Franke mal sklon pripisovať tieto zvláštnosti nejakej štatistickej chybe alebo nepresným meraniam. A Enrico, ktorý veril, že každý jav vyžaduje overenie, navrhol, aby sa pokúsili ožiariť tento strieborný valec mimo olovenej skrinky a uvidíme, čo sa stane. A potom sa stali úplne neuveriteľnými zázrakmi. Ukázalo sa, že predmety v okolí valca môžu ovplyvniť jeho činnosť. Ak bol valec ožarovaný stojac na drevenom stole, jeho aktivita bola vyššia ako pri položení na kovovú platňu. Teraz sa o to začala zaujímať celá skupina a každý sa zapojil do experimentov. Neutrónový zdroj umiestnili mimo valca a medzi neho a valec umiestnili rôzne predmety. Olovená doska mierne zvýšila aktivitu. Viesť−ťažká látka. „Poď, skúsime to jednoduchšie!−navrhol Fermi.−Povedzme parafín. Ráno 22. októbra sa uskutočnil experiment s parafínom.
Vzali veľký kus parafínu, vyhĺbili doň dieru a do vnútra umiestnili zdroj neutrónov, ožiarili strieborný valec a priniesli ho ku Geigerovmu počítaču. Počítadlo ako z reťaze prasklo. Celá budova zabúrila výkrikmi: „Nemysliteľné! Nepredstaviteľné! Čierna mágia!" Parafín stonásobne zvýšil umelú rádioaktivitu striebra.
Na poludnie sa skupina fyzikov neochotne rozišla na prestávku určenú na raňajky, ktoré pre nich zvyčajne trvali dve hodiny... Enrico využil svoju osamelosť, a keď sa vrátil do laboratória, mal už pripravenú teóriu, ktorá vysvetľovala zvláštny účinok parafínu.

Jadrové reakcie sú premeny atómových jadier počas interakcie s elementárnymi časticami (vrátane y-kvant) alebo medzi sebou navzájom. Najbežnejším typom jadrovej reakcie je reakcia, napísaná symbolicky takto:

kde X a Y sú počiatočné a konečné jadrá, a a b- bombardovanie a emitované (alebo emitované) pri jadrovej reakcii častice.

Pri akejkoľvek jadrovej reakcii sú splnené zákony zachovania náboja a hmotnostného čísla: súčet poplatkov (masívne) počet jadier a častíc vstupujúcich do jadrovej reakcie sa rovná súčtu nábojových (hmotnostných) čísel konečných produktov (jadier a častíc) reakcie. Tiež vykonávané zákony zachovania energie, hybnosti a moment hybnosti.

Na rozdiel od rádioaktívneho rozpadu, ktorý vždy prebieha s uvoľňovaním energie, jadrové reakcie môžu byť buď exotermické (s uvoľňovaním energie) alebo endotermické (s absorpciou energie).

Dôležitú úlohu pri vysvetľovaní mechanizmu mnohých jadrových reakcií zohral predpoklad N. Bohra (1936), že jadrové reakcie prebiehajú v dvoch etapách podľa nasledujúcej schémy:

Prvým stupňom je zachytenie častice a jadrom X, priblíženie sa k nemu na vzdialenosť pôsobenia jadrových síl (približne 2 10 15 m) a vytvorenie medziľahlého jadra C, nazývaného zlúčenina (alebo zlúčenina-jadro) . Energia častice, ktorá vletela do jadra, sa rýchlo distribuuje medzi nukleóny zloženého jadra, v dôsledku čoho je v excitovanom stave. Pri zrážke nukleónov zloženého jadra môže jeden z nukleónov (alebo ich kombinácia napr. deuterón - jadro ťažkého izotopu vodíka - deutérium, obsahujúce jeden protón a jeden neutrón) alebo častica cx. prijímať energiu dostatočnú na únik z jadra. V dôsledku toho je možný druhý stupeň jadrovej reakcie - rozpad zloženého jadra na jadro Y a časticu b.

Klasifikácia jadrových reakcií

Podľa typu častíc zapojených do reakcií:

• reakcie pri pôsobení neutrónov;
• reakcie pri pôsobení nabitých častíc (napríklad protónov, (X-častíc).

Podľa energie častíc spôsobujúcich reakciu:

• reakcie pri nízkych energiách (rádovo eV), vyskytujúce sa hlavne za účasti neutrónov;
• reakcie pri stredných energiách (niekoľko MeV) zahŕňajúce kvantá a nabité častice;
• reakcie pri vysokých energiách (stovky a tisíce MeV), čo vedie k zrodeniu tých, ktorí chýbajú vo voľnom stave elementárne častice a mať veľký významštudovať ich.

Podľa typu jadier zapojených do reakcií:

• reakcie na ľahkých jadrách (A 50);
• reakcie na stredných jadrách (50 A
• reakcie na ťažkých jadrách (A > 150).

Podľa povahy prebiehajúcich jadrových transformácií:

• reakcie s emisiou neutrónov;
• reakcie s emisiou nabitých častíc. Vôbec prvá jadrová reakcia (Rutherford, 1919)

Jadrová reakcia je proces preskupenia jadra sprevádzaný tvorbou nových častíc, ktoré vznikajú pôsobením alebo ako výsledok interakcie dvoch jadier alebo jadra a častice, keď sa k sebe priblížia na vzdialenosti, na ktoré sa akcia jadrových síl sa začína prejavovať.

AT laboratórne podmienky jadrové reakcie sa uskutočňujú najmä bombardovaním jadier lúčmi rýchlych častíc. V dôsledku zrážky vznikajú nové častice, dochádza k prerozdeleniu energie a hybnosti častíc.

Reakcia sa zaznamenáva buď vo forme podobnej zaznamenávaniu chemických reakcií:

Alebo, čo je viac akceptované v jadrovej fyzike, napr

kde a je častica lúča, A je cieľové jadro, emitovaná častica, B je jadro produktu (alebo konečné jadro).

Úplný záznam jadrovej reakcie obsahuje symboly prvkov, počet nábojov a hmotnostné čísla. Napríklad prvá reakcia uskutočnená Rutherfordom v roku 1919 môže byť napísaná ako

Ak rozprávame sa o všeobecný typ reakciu, bez ohľadu na konkrétny typ cieľa, potom sa záznam urobí aj v tejto forme:

Prvé písmeno v zátvorke označuje typ dopadajúcej častice, písmeno (alebo písmená) za desatinnou čiarkou označuje, ktoré častice vznikajú v dôsledku reakcie okrem jadra spätného rázu.

Zrážka bombardujúcej častice s cieľovým jadrom môže spôsobiť rôzne efekty:

1. Elastický rozptyl - interakcia, pri ktorej si častica a jadro zachovávajú svoju individualitu a dochádza len k redistribúcii ich kinetickej energie. Pohyb častíc po interakcii sa riadi zákonmi elastického nárazu. Zloženie a vnútorná energia jadra, ako aj typ častice sa nemenia:

2. Nepružný rozptyl. V tomto prípade je emitovaná častica rovnakého typu ako dopadajúca, ale konečné jadro je vytvorené v excitovanom stave, čo je označené hviezdičkou. Zloženie jadra sa tiež nemení:

3. Vlastná jadrová reakcia je interakcia, pri ktorej sa vnútorné vlastnosti a emituje sa zloženie cieľového jadra a novej častice:

Každá z týchto rovníc určuje, ako sa hovorí, svoj vlastný reakčný kanál.

Prierezy a výťažky jadrových reakcií.

Pri štúdiu jadrovej reakcie sa snažia určiť: pravdepodobnosť jej prúdenia rôznymi kanálmi pri rôznych energiách dopadajúcich častíc – takzvaný „výťažok“ tejto reakcie, uhlové a energetické rozloženie produktov reakcie.

Ako už bolo uvedené, efektívny prierez reakcie vyjadruje pravdepodobnosť výskytu danej transformácie pri bombardovaní jadra tokom s hustotou 1 častice za sekundu za sekundu. Ak cieľ obsahuje jadrá a tok Častice I na ňu padajú 1 sekundu, potom dôjde k jadrovej transformácii za 1 sekundu. Celkový efektívny prierez je súčtom prierezov procesov vo všetkých kanáloch

Dôležitá charakteristika reakcia je závislosť efektívneho prierezu od energie dopadajúcej častice:

Tieto závislosti sa nazývajú excitačné funkcie jadrovej reakcie.

Výťažok reakcie pri danej energii dopadajúcich častíc, t.j. pomer počtu reakčných udalostí, ktoré nastali, k počtu častíc, ktoré dopadli na cieľ, za predpokladu, že rovnaký tok bombardujúcich častíc dopadne na všetky jadrá cieľa. Výťažok sa môže vypočítať so znalosťou efektívneho prierezu procesu, kde je počet cieľových atómov v stĺpci s prierezom a výškou rovnou cieľovej hrúbke

Ak hustota cieľovej látky, potom

Pre hrubý terč, v ktorom dochádza k zmene energie aj k poklesu toku častíc, má výraz pre výťažok jadrových reakcií zložitejší tvar.

Turchina N.V. Fyzika v úlohách pre uchádzačov o VŠ - M.: Oniks, 2008. - 768 s.
ISBN 978-5-94666-452-3
Stiahnuť ▼(priamy odkaz) : fizvzadachahdlyapostvvuzi2008.pdf Predchádzajúca 1 .. 157 > .. >> Ďalšia

20.5.7. Rezonančným záchytom neutrónu izotopom uránu 292U vzniká rádioaktívny izotop uránu 239U. Prechádza rozpadom P a mení sa na izotop transuránového prvku neptúnia 2^Np. Neptúnium je P-rádioaktívne a transformuje sa

premenený na plutónium 94Pu, ktoré hrá rozhodujúcu úlohu pri získavaní jadrovej energie. Napíšte opísané jadrové reakcie.

20.5.8. Väčšina jadrových reakcií môže prebiehať niekoľkými spôsobmi, ktoré sa nazývajú „reakčné kanály“. Napríklad, keď je izotop lítia 7Ll ožiarený protónmi,

398
túlať sa: a) dve rovnaké jadrá; b) jadro izotopu berýlia Be a neutrónu. Napíšte reakcie označených "reakčných kanálov".

20.5.9. Napíšte chýbajúce symboly pre nasledujúce reakcie:

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

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

A 1 22 4 27 26 A

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

20.5.10. Prvok rutherfordium sa získal ožiarením plutónia

94Pu s 10Ne neónovými jadrami. Napíšte reakciu, ak je známe, že okrem nej vznikajú ďalšie štyri neutróny.

20.6. Energia jadrovej reakcie

20.6.1. Určte energiu jadrovej reakcie 3Li + 1H ^ ^24He.

20.6.2. Určite tepelné účinky nasledujúcich reakcií:

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

7 4 10 1 16 2 14 4

c) 3Li + 2a^5B + On; d) 80 + 1d ^ 7N + 2a.

20.6.3. Akú minimálnu energiu musí mať a-častica

uskutočniť jadrovú reakciu 3Li + 2He ° 5B + 0n ?

20.6.4. Nájdite energiu Y-kvanta emitovaného počas jadrovej energie

23 reakcií 1H + n^1H + Y.

20.6.5. Pri výbuchu vodíkovej bomby prebieha termonukleárna reakcia vzniku atómov hélia 4He z deutéria 1n a trícia 1n.

Napíšte jadrovú reakciu a určte jej energetický výdaj.

20.6.6. Určte energiu jadrovej reakcie 4Be +1H ^

^14Be + ^H. Aká energia sa uvoľní pri úplnej reakcii berýlia s hmotnosťou m = 1 g?

20.6.7. Termonukleárna reakcia 1h + 2He ^ 4He + ^p prebieha za uvoľnenia energie E1 = 18,4 MeV. V akej energii sa uvoľňuje

reakcia 3He + 2He ^ !He + 2^ , ak je hromadný defekt jadra 2He

Am = 0,006 amu viac ako jadro 1H ?

399
20.6.8. Pomocou definície väzbovej energie ukážte, že energiu potrebnú na rozdelenie jadra C na jadrá A a B možno znázorniť ako: Eab = Ec - (Ea + Eb), kde Ea, Eb, Ec sú väzbové energie zodpovedajúcich jadrá. Určite energiu potrebnú na oddelenie 16O kyslíkového jadra na a-časticu a 12C uhlíkové jadro. Väzbové energie: E16^ = 127,62 MeV, Ea = 28,30 MeV, E12^ =

92,16 MeV.

20.6.9. Pri reakcii 3Li + 1H ^ 3Li + 1p sa uvoľní energia Q = 5,028 MeV. Väzbová energia jadra lítia E1 = 39,2 MeV, deutéria E2 = 1,72 MeV. Určte hmotnosť jadra lítia.

20.6.10. Pri štiepení jadier so špecifickou väzbovou energiou є = 8,5 MeV/jadro vznikajú dva fragmenty - jeden s hmotnostným číslom Ai = 140 a špecifickou väzbovou energiou Єї = 8,3 MeV/jadro, druhý s hmotnostným číslom A2 = 94 a špecifická väzbová energia є2 = 8,6 MeV. Odhadnite množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri delení hmotnosti m = 1 g počiatočných jadier. Počet tr = mn =

1,6724 10-27 kg.

20.6.11. Za predpokladu, že pri jednom akte štiepenia jadra uránu 235U sa uvoľní energia Eo = 200 MeV, určte energiu uvoľnenú pri horení m = 1 kg uránu a hmotnosť uhlia mi, čo je tepelne ekvivalentné 1 kg uránu.

20.6.12. Pri štiepení jadra uránu 235U sa uvoľňuje energia Q = 200 MeV. Aký podiel zvyšnej energie uránu tvorí uvoľnená energia?

20.6.13. Určte hmotnostný prietok jadrového paliva 235U palcov nukleárny reaktor jadrová elektráreň. Tepelný výkon elektrárne P = 10 MW; jeho účinnosť n = 20 %. Energia uvoľnená počas jednej štiepnej udalosti je Q = 200 MeV.

20.6.14. Nájdite výkon jadrovej elektrárne, ktorá spotrebuje m = 220 g izotopu uránu 235U za deň a má účinnosť n = 25 %. Predpokladajme, že pri jednom akte štiepenia 235U sa uvoľní energia Q = 200 MeV.

20.6.15. Na roztavenie hliníka sa využíva energia uvoľnená počas rozpadu pozitrónu P izotopov uhlíka 11C, pričom každé uhlíkové jadro emituje jeden pozitrón. Produkty rozpadu nie sú rádioaktívne. Na koľko uhlíka je potrebný 1I1C

tavenie M = 100 ton hliníka za i = 30 min, ak je počiatočná teplota hliníka 0o = 20 °C?

20.6.16. Sodík a Na s hmotnosťou m = 10 g, ktoré podliehajú elektronickému rozpadu P, sa umiestnia do ampulky v nádrži obsahujúcej

400
M = 1000 ton vody. Produkty rozpadu nie sú rádioaktívne. Obdobie

rozpad sodíka T = ^ dní. O koľko stupňov sa zvýši teplota vody počas prvého dňa od začiatku rozkladu sodíka?

20.6.17. Polónium 84P0 sa rozpadá emisiou a-častice

a tvorbu olovených jadier. Produkty rozpadu nie sú rádioaktívne. Polčas rozpadu polónia T = 140 dní. Akú hmotnosť ľadu odobratú pri teplote 0 = 0 0C je možné roztopiť pomocou energie uvoľnenej pri rozpade m = 10 g polónia za čas t = 35 dní?

20.7. Jadrové reakcie a zákony zachovania

20.7.1. Jadro polónia 84P0 v pokoji vyvrhlo a-časticu s kinetickou energiou Ek = 5,3 MeV. Určte kinetickú energiu jadra spätného rázu a celkovú energiu uvoľnenú počas rozpadu a.

Existujú rôzne interpretácie pojmu jadrové reakcie. AT široký zmysel Jadrová reakcia je akýkoľvek proces, ktorý začína zrážkou dvoch, zriedkavo viacerých častíc (jednoduchých alebo zložitých) a prebieha spravidla za účasti silných interakcií. Tejto definícii vyhovujú aj jadrové reakcie v úzky zmysel Toto slovo, ktoré označuje procesy, ktoré začínajú zrážkou jednoduchej alebo zložitej častice (nukleón, a-častica, y-kvantum) s jadrom. Všimnite si, že definícia reakcie vyhovuje ako špeciálny prípad, a rozptyl častíc.1 Nižšie sú uvedené dva príklady jadrových reakcií.

Historicky prvá jadrová reakcia (Rutherford, 1919 - objav protónu):

Objav neutrónu (Chadwick, 1932):

Štúdium jadrových reakcií je nevyhnutné na získanie informácií o vlastnostiach nových jadier a elementárnych častíc, excitovaných stavoch jadier atď. Netreba zabúdať, že v mikrokozme nie je možné kvôli prítomnosti kvantových zákonov „pozerať“ na časticu alebo jadro. Hlavnou metódou štúdia mikroobjektov je preto štúdium ich zrážok, t.j. jadrových reakcií. Z aplikačného hľadiska sú jadrové reakcie nevyhnutné pre využitie jadrovej energie, ako aj pre výrobu umelých rádionuklidov.

Jadrové reakcie môžu prebiehať v prírodných podmienkach (napríklad vo vnútri hviezd alebo v kozmickom žiarení). Ich štúdium sa však zvyčajne vykonáva v laboratórnych podmienkach na experimentálnych zariadeniach. Pre realizáciu jadrových reakcií je potrebné približovať častice alebo jadrá k jadrám až na vzdialenosti rádovo polomeru pôsobenia jadrových síl. Priblíženiu nabitých častíc k jadrám bráni Coulombova bariéra. Preto na vykonávanie jadrových reakcií na nabitých časticiach používajú urýchľovače, v ktorom častice zrýchľujúce sa v elektrickom poli získavajú energiu potrebnú na prekonanie bariéry. Niekedy je táto energia porovnateľná s pokojovou energiou častice alebo ju dokonca prevyšuje: v tomto prípade je pohyb popísaný zákonmi relativistickej mechaniky. V konvenčných urýchľovačoch ( lineárny urýchľovač, cyklotrón atď.) ťažšia z dvoch zrážajúcich sa častíc je spravidla v pokoji, zatiaľ čo ľahšia je narážaná. Častica v pokoji sa nazýva cieľ (anglicky - cieľ). Prekrývanie, príp bombardovaniečastice v ruskom jazyku nedostali špeciálny názov (v anglický jazyk používa sa výraz projektil). V urýchľovačoch lúčov (zrážače) obe zrážkové častice sa pohybujú, takže separácia do terča a zväzku dopadajúcich častíc stráca zmysel.

Energia nabitej častice pri reakcii môže byť dokonca menšia ako výška Coulombovej bariéry, ako to bolo v prípade klasických experimentov J. Cockcrofta a E. Waltona, ktorí v roku 1932 umelo rozštiepili jadrá lítia tým, že ich bombardovali zrýchlenými beží. V ich experimentoch došlo k prenikaniu protónu do cieľového jadra tunelom cez Coulombovu potenciálnu bariéru (pozri prednášku 7). Pravdepodobnosť takéhoto procesu je samozrejme veľmi malá z dôvodu nízkej priehľadnosti bariéry.

Existuje niekoľko spôsobov symbolického zaznamenávania jadrových reakcií, z ktorých dva sú uvedené nižšie:

Súbor kolidujúcich častíc v určitom kvantovom stave (napr. R a Li) sa nazývajú vstupný kanál jadrovej reakcie. Kolízie rovnakých častíc (pevný vstupný kanál) môžu vo všeobecnosti viesť k vzniku rôznych reakčných produktov. Pri zrážkach protónov s Li teda vznikajú reakcie Li (R, 2a), Li (R,P) Be, 7 Li(/;, df Be atď. V tomto prípade sa hovorí o konkurenčných procesoch alebo o súbore výstupné kanály.

Jadrové reakcie sú často napísané v ešte kratšej forme: (a, b) - tie. označujúce iba ľahké častice a neindikujúce jadrá zapojené do reakcie. Napríklad záznam (/>, P) znamená, že protón vyradí neutrón z nejakého jadra, ( P, y) - absorpcia neutrónu jadrom s emisiou y-kvanta atď.

Klasifikácia jadrových reakcií možno vykonať z týchto dôvodov:

I. Podľa typu prebiehajúceho procesu

• 1) zachytávanie žiarenia: (l, y),(R,y)
• 2) jadrový fotoelektrický jav: (y, l), (y, R)
• 3) nukleón-nukleónové reakcie:
  • a) vyradenie nukleónu alebo skupiny nukleónov (n, R),(R, a) atď.
  • b) "odparenie" nukleónov (/?, 2n), (R, 2R) atď.
  • c) rozpis ( d, /?), (d, p) a vyzdvihnutie (p, d), (l, d)
• 4) delenie: (l, D (r, D O /, U)
• 5) syntéza (fúzia)
• 6) nepružný rozptyl: (l, l ')
• 7) elastický rozptyl: (l, l)

//. Na základe uvoľnenia alebo absorpcie energie

• 1) exotermické reakcie
• 2) endotermické reakcie

III. Energiou bombardujúcich častíc

• 1) nízke energie (
• 2) stredné energie (1 keV-10 MeV)
• 3) vysoké energie (> 10 MeV)

IV. Masou bombardovaných jadier

• 1) na ľahkých jadrách (A 50)
• 2) na jadrách strednej hmotnosti (50 A
• 3) na ťažkých jadrách (ALE > 100)

V Podľa typu bombardujúcich častíc

• 1) na nabitých časticiach (/;, s!,a a ťažšie ióny)
• 2) na neutrónoch
• 3) na fotónoch (fotonukleárne reakcie)

• Počas elastického rozptylu častice neprechádzajú žiadnymi vnútornými zmenami a neobjavujú sa nové častice. Dochádza medzi nimi len k prerozdeleniu energie a hybnosti. Pri nepružnom rozptyle spolu s takouto výmenou dochádza k zmene vnútorného stavu aspoň jednej z častíc.
• Informácie o urýchľovačoch častíc nájdete v prednáške 15.
• d je akceptovaný symbol pre deuterón, jadro atómu deutéria.