استاد

I.N.Bekman

فیزیک هسته ای

سخنرانی 16. تعاملات هسته ای

توسعه فیزیک هسته ای تا حد زیادی با تحقیقات در زمینه واکنش های هسته ای تعیین می شود. در این سخنرانی ما طبقه بندی مدرن فعل و انفعالات هسته ای را بررسی می کنیم

ترمودینامیک و سینتیک و همچنین نمونه هایی از واکنش های هسته ای.

1. طبقه بندی واکنش های هسته ای

از طریق عمل نیروهای هسته ایدو ذره (دو هسته یا یک هسته و یک نوکلئون) هنگام نزدیک شدن به فاصله های مرتبه ای از 10 -13 cm وارد تعامل شدید هسته ای می شود و منجر به تغییر هسته می شود. این فرایند را واکنش هسته ای می نامند. در طول واکنش هسته ای ، توزیع مجدد انرژی و حرکت هر دو ذره اتفاق می افتد ، که منجر به تشکیل چندین ذره دیگر می شود که از محل فعل و انفعال خارج می شوند.هنگامی که یک ذره حادثه ای با هسته اتمی برخورد می کند ، تبادل انرژی و حرکت بین آنها رخ می دهد ، در نتیجه می توان چندین ذره را تشکیل داد ، که از جهات متقابل در جهات مختلف به بیرون پرواز می کنند.

واکنش های هسته ای- تبدیل هسته های اتمی هنگام تعامل با ذرات بنیادی ، γ-کوانتوم یا با یکدیگر.

واکنش هسته ای فرایند تشکیل هسته یا ذرات جدید در برخورد هسته ها یا ذرات است. برای اولین بار ، E. Rutherford یک واکنش هسته ای را در سال 1919 مشاهده کرد ، هسته های اتم های نیتروژن را با ذرات α بمباران کرد ؛ این با ظهور ذرات یونیزه ثانویه با محدوده ای در گاز بیشتر از محدوده ذرات α ثبت شد. و به عنوان پروتون شناخته می شود. متعاقباً عکس هایی از این فرآیند با کمک دوربین ویلسون به دست آمد.

برنج. 1. فرآیندهایی که در جریان واکنش های هسته ای رخ می دهد

(کانالهای واکنش ورودی و خروجی ارائه شده است).

اولین واکنش هسته ای توسط E. Rutherford در سال 1919 انجام شد. داروهای α رادیواکتیو در آن زمان تنها منابع ذرات باردار بودند. اولین شتاب دهنده مخصوص مطالعه واکنش های هسته ای توسط Cockcroft و Walton در سال 1932 ساخته شد. این شتاب دهنده برای اولین بار استفاده شد

یک پرتو پروتون شتاب گرفته شد و واکنش p + 7 Li → α + α انجام شد.

واکنشهای هسته ای روش اصلی مطالعه ساختار و خواص هسته های اتمی است. در واکنش های هسته ای ، مکانیسم های تعامل ذرات با هسته های اتمی ، مکانیسم های تعامل بین هسته های اتمی مورد مطالعه قرار می گیرد. در نتیجه واکنشهای هسته ای ، ایزوتوپهای جدیدی که در شرایط طبیعی یافت نمی شوند بدست می آیند و عناصر شیمیایی... اگر پس از برخورد ، هسته ها و ذرات اولیه حفظ شوند و هسته های جدید متولد نشوند ، واکنش پراکنده الاستیک در زمینه نیروهای هسته ای است که تنها با توزیع مجدد همراه است. انرژی جنبشیو حرکت ذره و هسته هدف و پتانسیل نامیده می شود

پراکندگی

پیامد متقابل بمباران ذرات (هسته ها) با هسته های هدف می تواند موارد زیر باشد:

1) پراکندگی الاستیک ، که در آن نه ترکیب و نه انرژی داخلی تغییر نمی کند ، بلکه فقط توزیع مجدد انرژی جنبشی مطابق قانون ضربه داخلی رخ می دهد.

2) پراکندگی غیر الاستیک ، که در آن ترکیب هسته های متقابل تغییر نمی کند ، اما بخشی از انرژی جنبشی هسته بمباران کننده صرف تحریک هسته مورد نظر می شود.

3) در واقع یک واکنش هسته ای است ، که در نتیجه آن خواص داخلی و ترکیب هسته های متقابل تغییر می کند.

	برنج. 2. واکنش هسته ای لیتیوم 6 با دوتریوم 6 Li (d، α) α
	واکنشهای هسته ای قوی ، الکترومغناطیسی و ضعیف نشان می دهند
	فعل و انفعالات.
	انواع مختلفی از واکنش ها شناخته شده است. می توان آنها را به دسته بندی کرد
	واکنشهای تحت تأثیر نوترونها ، تحت تأثیر ذرات باردار و تحت عمل
	V نمای کلیتعامل هسته ای را می توان به شکل نوشت
	a1 + a2 → b1 + b2 +… ،
	جایی که 1 و 2 ذراتی هستند که وارد واکنش می شوند و b 1 ، b 2 ، ... ذرات هستند ،
ناشی از واکنش (محصولات واکنش).
	متداول ترین نوع واکنش ، برهم کنش ذره نور a با هسته A است ، در
در نتیجه ذره نور b و هسته B تشکیل می شود
	a + A → b + B
	یا کوتاهتر
	A (a ، b) B.

به عنوان a و b می توان نوترون (n) ، پروتون (p) ، α - ذره ، دوترون (d) و γ - کوانتوم را در نظر گرفت.

مثال 1 واکنش هسته ای

4 او + 14 N → 17 O + 1 H

v مخفف به عنوان 14 N (α ، p) 17 O

مثال 2. واکنش 59 Co (p، n) را در نظر بگیرید. محصول این واکنش چیست؟ راه حل. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

در سمت چپ 27 + 1 پروتون داریم. با سمت راست 0 + X پروتون ، جایی که X عدد اتمی محصول است. بدیهی است که X = 28 (Ni). در سمت چپ 59 + 1 نوکلئون و در سمت راست 1 + Y نوکلئون وجود دارد که Y = 59 است. بنابراین ، محصول واکنش 59 نیکل است.

این واکنش می تواند به روش های متفاوتی انجام شود:

مختلف راههای ممکندوره واکنش هسته ای در مرحله دوم را کانال های واکنش می نامند. مرحله اولواکنش به نام کانال ورودی نامیده می شود.

برنج. 3. کانالهای برهم کنش پروتونها با 7 لی.

دو کانال واکنشی آخر در طرح (6) به موارد پراکندگی هسته ای غیر ارتجاعی (A * + a) و الاستیک (A + a) اشاره دارد. اینها موارد خاصی از فعل و انفعالات هسته ای هستند که از نظر دیگر محصولات واکنش با ذرات منطبق هستند ،

واکنش نشان می دهد ، با پراکندگی الاستیک نه تنها نوع هسته ، بلکه حالت داخلی آن نیز حفظ می شود ، در حالی که پراکندگی غیر الاستیک حالت داخلی هسته را تغییر می دهد (هسته به حالت برانگیخته منتقل می شود). امکان ایجاد کانالهای واکنش متفاوت توسط پرتابه ، انرژی و هسته آن تعیین می شود.

هنگام مطالعه یک واکنش هسته ای ، شناسایی کانالهای واکنش ، احتمال مقایسه آن از طریق کانالهای مختلف در انرژیهای مختلف ذرات حادثه ای ، انرژی و توزیع زاویه ای ذرات حاصله ، و همچنین وضعیت داخلی آنها (تحریک انرژی ، چرخش ، برابری ، چرخش ایزوتوپی).

واکنش های هسته ای تبدیل هسته های اتمی هنگام تعامل با ذرات بنیادی (از جمله y-quanta) یا با یکدیگر است. رایج ترین نوع واکنش هسته ای یک واکنش است که به صورت نمادین به شرح زیر نوشته شده است:

جایی که X و Y هسته اولیه و نهایی هستند ، آو ب- بمباران و انتشار ذرات (یا ساطع شده) در واکنش هسته ای.

در هر واکنش هسته ای ، قوانین حفظ بار و اعداد جرمی: مبلغ هزینه (عظیم) تعداد هسته ها و ذرات ورودی به یک واکنش هسته ای برابر است با مجموع اعداد بار (جرم) محصولات نهایی (هسته ها و ذرات) واکنش... نیز انجام شد قوانین حفظ انرژی ، حرکتو حرکت زاویه ای.

برخلاف پوسیدگی رادیواکتیو ، که همیشه با انتشار انرژی رخ می دهد ، واکنش های هسته ای می توانند هم گرمازا (با آزاد شدن انرژی) و هم گرمازا (با جذب انرژی) باشند.

نقش مهمی در توضیح مکانیزم بسیاری از واکنشهای هسته ای با فرض N. Bohr (1936) ایفا شد که واکنشهای هسته ای بر اساس طرح زیر در دو مرحله انجام می شود:

مرحله اول ، گرفتن ذره a توسط هسته X است که در فاصله عمل نیروهای هسته ای (تقریباً 2 10 15 متر) به آن نزدیک شده است و تشکیل هسته میانی C ، به نام ترکیب (یا ترکیب) هسته). انرژی ذره ای که به داخل هسته پرواز کرده است به سرعت بین نوکلئونهای هسته مرکب توزیع می شود ، در نتیجه در حالت برانگیخته ظاهر می شود. در برخورد نوکلئونهای یک هسته مرکب ، یکی از نوکلئونها (یا ترکیب آنها ، برای مثال ، دوترون - هسته یک ایزوتوپ سنگین هیدروژن - دوتریوم ، حاوی یک پروتون و یک نوترون) یا یک ذره cx می تواند دریافت کند انرژی کافی برای خروج از هسته در نتیجه ، مرحله دوم واکنش هسته ای امکان پذیر است - تجزیه یک هسته مرکب به یک هسته Y و یک ذره ب.

طبقه بندی واکنش های هسته ای

ذات ذرات شرکت کننده در واکنش ها:

• واکنشها تحت تأثیر نوترونها ؛
• واکنشهای ناشی از ذرات باردار (به عنوان مثال پروتونها ، (ذرات X).

با استفاده از انرژی ذرات باعث واکنش:

• واکنش در انرژیهای پایین (به ترتیب eV) ، عمدتا با مشارکت نوترونها رخ می دهد.
• واکنش در انرژی های متوسط ​​(چند MeV) شامل کوانتوم و ذرات باردار ؛
• واکنش در انرژیهای بالا (صدها و هزاران MeV) ، که منجر به ایجاد ذرات اولیه ای می شود که در حالت آزاد وجود ندارند و دارای پراهمیتبرای مطالعه آنها

با توجه به ماهیت هسته های درگیر در واکنشها:

• واکنش روی هسته های نوری (A 50) ؛
• واکنش روی هسته های متوسط ​​(50 آمپر
• واکنش روی هسته های سنگین (A> 150).

با توجه به تحولات هسته ای در حال انجام:

• واکنش با انتشار نوترون ؛
• واکنش با انتشار ذرات باردار اولین واکنش هسته ای (رادرفورد ، 1919)

واکنش های هسته ای تبدیل هسته های اتمی هنگام تعامل با ذرات بنیادی (از جمله γ- کوانتوم) یا با یکدیگر است. واکنشهای نمادین به شکل زیر نوشته می شوند:

X + a → Y + b ، یا X (a ، b) Y

جایی که X و Y هسته اولیه و نهایی هستند ، a و b ذرات بمباران کننده و ساطع شده (یا منتشر شده) در واکنش هسته ای هستند.

در هر واکنش هسته ای ، قوانین حفظ بارهای الکتریکی و اعداد جرمی رعایت می شود: مجموع بارها (و تعداد جرم) هسته ها و ذرات وارد واکنش هسته ای برابر است با مجموع بارها (و مجموع تعداد جرم) از محصولات نهایی (هسته و ذرات) واکنش. قوانین حفظ انرژی ، حرکت و حرکت زاویه ای نیز برآورده شده است.

واکنشهای هسته ای می توانند هم گرمازا (با آزاد شدن انرژی) و هم گرمازا (با جذب انرژی) باشند.

واکنشهای هسته ای طبقه بندی می شوند:

1) از نظر ماهیت ذرات شرکت کننده در آنها - واکنشهای تحت تأثیر نوترونها ؛ ذرات باردار؛ γ-کوانتوم ؛

2) توسط انرژی ذرات ایجاد کننده آنها - واکنش در انرژیهای کم ، متوسط ​​و زیاد ؛

3) از نظر ماهیت هسته های شرکت کننده در آنها - واکنش در ریه ها (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) هسته ؛

4) با توجه به تحولات هسته ای در حال انجام - واکنش با انتشار نوترون ، ذرات باردار ؛ گرفتن واکنشها (در مورد این واکنشها ، هسته مرکب هیچ ذره ای ساطع نمی کند ، اما به حالت اولیه می رود و یک یا چند γ-کوانتوم ساطع می کند).

اولین واکنش هسته ای توسط رادرفورد انجام شد

1939 - O. Hahn و F. Strassmann شکافت هسته های اورانیوم را کشف کردند: هنگامی که اورانیوم با نوترون بمباران می شود ، عناصر قسمت میانی ظاهر می شوند سیستم تناوبی- ایزوتوپهای رادیواکتیو باریم (Z = 56) ، کریپتون (Z = 36) - قطعات شکافت و غیره. شکافت یک هسته سنگین به دو قطعه با انتشار انرژیبه ترتیب 1 مگا الکترون ولت برای هر نوکلئون.

به عنوان مثال ، دو سناریوی احتمالی برای واکنش شکافت هسته های اورانیوم وجود دارد.

نظریه شکافت هسته های اتمی بر اساس است مدل هسته قطره ای... هسته به عنوان قطره ای از مایع تراکم ناپذیر با بار الکتریکی (a) با چگالی برابر هسته هسته ای و مطیع قوانین مکانیک کوانتومی در نظر گرفته می شود. هنگامی که یک نوترون اسیر می شود ، ثبات چنین قطرات بارداری نقض می شود ، هسته به وجود می آید تردید- متناوب کشیده ، سپس فشرده می شود. احتمال شکافت هسته ای توسط انرژی فعال سازی تعیین می شود - حداقل انرژی مورد نیاز برای انجام واکنش شکافت هسته ای. در انرژیهای تحریک کمتر از انرژی فعال شدن شکافت ، تغییر شکل هسته قطره به بحرانی نمی رسد (b) ، هسته شکافت نمی کند و با انتشار γ-کوانتوم به حالت اولیه انرژی باز می گردد. در انرژی های تحریک بالاتر از انرژی فعال سازی شکافت ، تغییر شکل قطره به مقدار بحرانی می رسد (ج) ، "کمر" در قطره (د) تشکیل شده و طولانی می شود و شکافت (ه) آغاز می شود.

هر یک از نوترونهای سریع تولید شده در واکنش شکافت ، که با هسته های مجاور ماده شکافت پذیر برهمکنش می کنند ، باعث ایجاد واکنش شکافت در آنها می شود. همزمان بهمنافزایش تعداد اقدامات تقسیم - آغاز می شود واکنش زنجیره ای شکافت - یک واکنش هسته ای که در آن ذرات ایجاد کننده واکنش به عنوان محصول آن واکنش تشکیل می شوند. شرط وقوع واکنش زنجیره ای ، وجود نوترون های ضرب شده است.

ضریب ضرب نوترون k نسبت تعداد نوترون هایی است که در پیوند خاصی از واکنش بوجود می آیند به تعداد چنین نوترونهایی در پیوند قبلی.

شرط لازم برای ایجاد واکنش زنجیره ای: k> 1. این واکنش را واکنش تکاملی می نامند. وقتی k = 1 ، یک واکنش خود پایدار رخ می دهد. چنگال<1 идет затухающая реакция.

ضریب ضرب بستگی به ماهیت ماده شکافت پذیر دارد و برای یک ایزوتوپ معین ، به مقدار آن و همچنین اندازه و شکل هسته ، فضایی که واکنش زنجیره ای در آن انجام می شود ، بستگی دارد.

حداقل اندازه هسته ، که در آن واکنش زنجیره ای امکان پذیر است ، اندازه بحرانی نامیده می شود.

حداقل جرم مواد شکافت پذیر در یک سیستم با ابعاد بحرانی لازم برای ایجاد واکنش زنجیره ای ، جرم بحرانی نامیده می شود.

واکنشهای زنجیره ای به کنترل شده و غیرقابل کنترل تقسیم می شوند. انفجار بمب اتمی نمونه ای از واکنش های غیرقابل کنترل است. واکنشهای زنجیره ای کنترل شده در راکتورهای هسته ای رخ می دهد.

دستگاهی که در آن واکنش شکافت هسته ای کنترل شده حفظ شود راکتور هسته ای (یا اتمی) نامیده می شود. راکتورهای هسته ای ، به عنوان مثال ، در نیروگاه های هسته ای استفاده می شود.

طرح یک راکتور آهسته نوترونی را در نظر بگیرید. سوخت هسته ای در این راکتورها می تواند موارد زیر باشد:

1) - در اورانیوم طبیعی حاوی حدود 0.7 است.

2) طبق طرح به دست آمده است

3) مطابق طرح از توریم به دست می آید

در هسته راکتور عناصر سوختی از سوخت هسته ای (عناصر سوخت) 1 و تعدیل کننده 2 وجود دارد (در آن نوترونها به سرعت حرارتی کند می شوند). میله های سوخت بلوک هایی از مواد شکافت پذیر هستند که در یک پوسته مهر و موم شده و ضعیف نوترون ها را جذب می کنند. با توجه به انرژی آزاد شده در طول شکافت هسته ای ، عناصر سوخت گرم می شوند و بنابراین ، برای خنک شدن ، آنها را در جریان خنک کننده 3 قرار می دهند. هسته توسط یک بازتابنده 4 احاطه شده است ، که نشت نوترون را کاهش می دهد. حفظ حالت پایدار راکتور با استفاده از میله های کنترل 5 ساخته شده از موادی که نوترون ها را به شدت جذب می کنند ، انجام می شود.

از بور یا کادمیوم مایع خنک کننده در راکتور آب ، سدیم مایع و غیره است. مایع خنک کننده در مولد بخار گرمای خود را به بخار منتقل می کند که وارد توربین بخار می شود. توربین یک ژنراتور الکتریکی را می چرخاند ، جریانی که از آن وارد شبکه الکتریکی می شود.

وظایف ما:برای آشنایی با انواع اصلی پوسیدگی رادیواکتیو ، در آزمایش های مجازی برای نشان دادن زنجیره های تبدیل رادیواکتیو و روشی برای اندازه گیری ثابت پوسیدگی.

واکنش هسته ای - مجبورتبدیل هسته اتمی تحت تأثیر ذرات دیگر (حدود خود جوشتغییر هسته های اتمی با انتشار ذرات اولیه - رادیواکتیویتهدر سخنرانی دیگری بخوانید).

اگر شک دارید که آیا واکنش هسته ای دیده اید ، در یک روز روشن به آسمان نگاه کنید. بعداً در مورد واکنش به خورشید صحبت خواهیم کرد.

اغلب در هر هسته آذره ای نسبتاً سبک وارد می شود آ(به عنوان مثال ، نوترون ، پروتون ، α ذرات ، و غیره) ، و هنگام نزدیک شدن به فاصله حدود 10 تا 15 متر ، در نتیجه عمل نیروهای هسته ای ، یک هسته تشکیل می شود Vو یک ذره سبک تر ب.

مجموعه ذرات و هسته هایی که وارد واکنش می شوند (در شکل آ + آ) نامیده می شوند ورودیکانال یک واکنش هسته ای و واکنش حاصله - تعطیلات آخر هفتهکانال ها اگر انرژی جنبشی ذره حادثه دیده باشد آکوچک است ، سپس دو ذره تشکیل می شود: خود ذره و هسته.

پراکندگی الاستیک و غیر الاستیک موارد خاصی از فعل و انفعالات هسته ای هستند ، هنگامی که محصولات واکنش با موارد اولیه همزمان می شوند.

طبقه بندی واکنش های هسته ای

بر اساس نوع ذرات ایجاد کننده واکنش
1. واکنش ذرات باردار
2. واکنش های نوترونی
3. واکنش های تحت تأثیر γ - واکنشهای هسته ای کوانتومی

قوانین حفاظت در واکنشهای هسته ای

برای هرگونه واکنش می توانید طیف وسیعی از کانال های خروجی را در نظر بگیرید. با این حال ، اکثر آنها غیرممکن خواهند بود. قوانین حفاظت به انتخاب واکنش هایی که در عمل امکان پذیر است کمک می کند:

دو مورد آخر برای تعاملات قوی صادق است. مجموعه کاملی از قوانین در واکنش های هسته ای آشکار می شود ، آنها برای واکنش با ذرات اولیه ضروری هستند ، ما آنها را در جای دیگر نام می بریم.

مجموعه قوانین حفاظتی امکان انتخاب کانالهای واکنش خروجی و بدست آوردن اطلاعات مهم در مورد خواص ذرات متقابل و محصولات واکنش را ممکن می سازد.

واکنشهای هسته ای مستقیم

در واکنش مستقیم ، ذره زمان برخورد با یک (کمتر اوقات با دو تا سه) نوکلئون را دارد. این واکنشها بسیار سریع - در حین پرواز یک ذره از طریق هسته (10-22-10 - 10 -21 ثانیه) ادامه می یابد. برای مثال ، واکنش های (n، p) را در نظر بگیرید. حرکت نوترون عمدتا به یک نوکلئون منتقل می شود که بلافاصله از هسته خارج می شود ، بدون اینکه وقت لازم برای تبادل انرژی با بقیه نوکلئون ها را داشته باشد. بنابراین ، نوکلئونها باید عمدتا در جهت جلو از هسته خارج شوند. انرژی نوکلئون پرتاب شده باید نزدیک به انرژی پرتابه باشد.

انرژی جنبشی ذرات حادثه باید به اندازه کافی بزرگ باشد (دیواری را که از مکعب ساخته شده است تصور کنید. اگر یکی از آنها را به شدت ضربه بزنید ، می توانید آن را تقریباً بدون تأثیر روی بقیه از بین ببرید. با ضربه ای آهسته ، دیوار متلاشی می شود. )

در انرژیهای پایین ، واکنشی ممکن است رخ دهد درهم شکستن(د ، ص). دوترون با نزدیک شدن به هسته قطبی می شود ، نوترون توسط هسته اسیر می شود و پروتون به حرکت خود ادامه می دهد. برای چنین فرآیندی ، تعامل باید در لبه هسته رخ دهد. در دوترون ، پروتون و نوترون ضعیف اتصال دارند.

بنابراین ، ویژگیهای متمایز واکنشهای مستقیم عبارتند از:
1. زمان جریان ~ 10 -21 ثانیه ؛
2. توزیع زاویه ای محصولات در جهت حرکت ذره حادث شده طولانی می شود.
3. سهم بسزایی در مقطع فرایندهای هسته ای با انرژی بالا دارد.

شکل 2 طرح واکنش گرمازا

طرح انرژی یک واکنش هسته ای

بیایید یک واکنش هسته ای را در قالب نمودار انرژی نشان دهیم (شکل 2). سمت چپ شکل به مرحله اول - تشکیل هسته مرکب ، سمت راست - پوسیدگی این هسته اشاره دارد. T "a- بخشی از انرژی جنبشی ذره حادثه ای که به تحریک هسته می رود ، ε aانرژی اتصال ذره است آدر هسته مرکب ، ε بانرژی اتصال ذره است بدر همان هسته

یک تناقض آشکار وجود دارد: هسته جیک سیستم مکانیکی کوانتومی با سطوح انرژی گسسته است و انرژی تحریک ، همانطور که از (1) مشخص است ، یک مقدار پیوسته (انرژی T aمی تواند هر کدام باشد) در بخش بعدی به این موضوع پرداخته می شود.

سطح مقطع یک واکنش هسته ای که از یک هسته مرکب عبور می کند

شکل 3 محو شدن انرژی سطح تحریک شده

از آنجا که دو مرحله مستقل در طول واکنش وجود دارد ، سطح مقطع را می توان به عنوان محصول مقطع برای تشکیل یک هسته مرکب نشان داد. σو احتمال پوسیدگی آن توسط من-کانال f i

هسته اتمی یک سیستم کوانتومی است. از آنجا که هر یک از سطوح هیجان زده طیف دارای یک عمر متوسط ​​محدود است τ ، عرض سطح Γ همچنین محدود است (شکل 3) و به رابطه میانگین طول عمر مربوط می شود که نتیجه رابطه عدم قطعیت انرژی و زمان است Δt ΔE ≥ ћ:

اجازه دهید موردی را در نظر بگیریم که سطوح انرژی هسته مرکب از هم جدا می شوند (عرض سطوح Γ فاصله کمتر بین آنها ΔE) وقتی انرژی تحریک با انرژی یکی از سطوح منطبق باشد E 0سطح مقطع واکنش (الف ، ب)حداکثر طنینی خواهد داشت در مکانیک کوانتومی ثابت شده است که مقطع شکل گیری هسته مرکب با فرمول Breit-Wigner شرح داده شده است.

(6)

جایی که λ aطول موج دو بروکلی ذره حادثه است ، Γ - عرض کامل سطح ، Γ a- عرض سطح نسبت به پراکندگی الاستیک (جزئی ، عرض جزئی).

بیایید عرض سطح را مشخص کنیم. احتمال فروپاشی هسته مرکب f iمتناسب با طول عمر τ iدر مورد این پوسیدگی و زمان زندگی τ iبه نوبه خود ، مطابق با (5) ، نسبت عکس با عرض دارد Γ i، جزئی (جزئی) نامیده می شود. در نتیجه ، احتمالات f iمتناسب با عرض Γ i، و می توان آنها را نشان داد

شکل 4 سطح مقطع تشکیل یک هسته مرکب

جمع Σf i = 1، آ ΣΓ i = Γ... مقابله با عرض های جزئی راحت تر از احتمالات است.

عرض سطح کامل Γ ضعیف بستگی به سرعت ذره حادثه دارد v a، آ Γ aمتناسب با این سرعت طول موج دو برولی با سرعت نسبت عکس دارد v a... بنابراین ، به دور از طنین در سرعتهای پایین ، سطح مقطع به عنوان افزایش می یابد 1 / v a(این را می توانید با این واقعیت که یک ذره آهسته زمان بیشتری را در هسته می گذراند و احتمال جذب آن افزایش می یابد برای خود توضیح دهید). در E ~ E 0سطح مقطع ضبط به شدت افزایش می یابد (شکل 4). در فرمول (6) هانرژی جنبشی ذره حادثه است و E 0انرژی سطح هسته مرکب است ، از انرژی پیوند اندازه گیری می شود: سطح انرژی = ε a + E 0.

واکنش های هسته ای که توسط نوترون ها هدایت می شوند

واکنشهای اصلی تحت تأثیر نوترونهای غیر نسبی در نمودار نشان داده شده است (شکل 5). در آنجا و آنچه در پی می آید با نامه مشخص می کنیم آهسته عدد جرمی آ.

بیایید آنها را به ترتیب در نظر بگیریم.

پراکندگی الاستیک

نوترونها در واکنشهای هسته ای با ذرات باردار و در شکافت هسته ای سریع متولد می شوند ( T nبه ترتیب چند MeV) ، اما به طور معمول به آرامی جذب می شوند. این کاهش سرعت به دلیل برخوردهای کششی متعدد با هسته های اتمی رخ می دهد.

دو احتمال وجود دارد: انحراف نوترون توسط میدان هسته ای بدون ضبط - پراکندگی احتمالی، و انتشار نوترون از هسته مرکب است پراکندگی طنین انداز... بنابراین سطح مقطع مجموع است σ کنترل = σ عرق + σ res.

شکل 6: سطح مقطع پراکندگی الاستیک نوترونها توسط هسته های اورانیوم

سپس ، با توجه به (1) ، پراکندگی با حرکت تک زاویه ای صفر رخ می دهد ( L = 0 ، s- پراکندگی) توزیع زاویه ای نوترون های پراکنده در مرکز جرم همسانگرد است. در واقع ، این انرژی های "کوچک" چندان کوچک نیستند: در هیدروژن Me 10 مگا الکترون ولت ، در سرب ~ 0.4 مگاوات ولت. سطح مقطع پراکندگی بالقوه در این مورد بستگی به انرژی نوترونی ندارد و برابر است

در سطح مقطع پراکندگی طنین انداز

عرض Γ nمستقیماً با سرعت و طول موج دو برولی متناسب است λ نسبت معکوس با آن دارد بنابراین ، بسته به انرژی ، ما فقط یک قله رزونانس در آن داریم E = E 0... در نتیجه ، برای وابستگی انرژی سطح مقطع برای پراکندگی نوترون الاستیک ، ما یک پایه با قله های رزونانس داریم (شکل 6).

پراکندگی غیر الاستیک

هسته پراکنده در حالت هیجان زده است: n + A => (A + 1) * => A * + n... واضح است که واکنش نشان داده است آستانهشخصیت: انرژی نوترون حادثه باید برای انتقال هسته هدف به حالت برانگیخته کافی باشد. مطالعه طیف نوترونها و همراهی با آنها γ - تابش ، اطلاعاتی در مورد ساختار سطوح انرژی هسته دریافت کنید.

چند کلمه در مورد اینکه چگونه می توانید اندازه گیری سطح مقطع پراکندگی غیر الاستیک... وقتی انرژی جنبشی نوترونها بیشتر از 1 مگا الکترون ولت باشد ،

فرآیندهای اصلی پراکندگی کشسان و غیر الاستیک خواهند بود σ = σ کنترل + σ کنترل نشده... اجازه دهید از راه دور الاز منبع سآشکارساز قرار داده شده است د(شکل 7). بیایید منبع را با یک حوزه شعاع احاطه کنیم رو ضخامت دیوار د... اگر پراکندگی الاستیک خالص، می توان نشان داد که تضعیف در امتداد خط اتصال منبع و آشکارساز با پراکندگی کره به سمت آشکارساز از جهات دیگر جبران می شود. اگر کاهش در خوانش آشکارساز مشاهده شود ، پس به دلیل پراکندگی غیر الاستیک است

اینجا Nغلظت هسته ها در هدف است. چندین اندازه گیری با ضخامت های مختلف به شما امکان می دهد سطح مقطع را پیدا کنید σ کنترل نشده.

ضبط اشعه

جذب تابشی - گرفتن نوترون ، تشکیل هسته مرکب در حالت برانگیخته و انتقال بعدی به زمین با انتشار تابش γ n + (A، Z) => (A + 1، Z) * ​​=> (A + 1، Z) + γ... انرژی برانگیختگی هسته مرکب (2) ، و در نتیجه کل انرژی کوانتوم γ ، از انرژی اتصال نوترون در هسته فراتر می رود ، یعنی 7 - 8 مگا ولت

جذب اشعه چگونه آشکار می شود؟
• انتشار γ-کوانتوم ؛
• در رادیواکتیویته (انتشار ذرات β) هسته تشکیل شده (A + 1 ، Z)(اغلب اوقات هسته (A + 1 ، Z)ناپایدار) ؛
• در تضعیف شار نوترون N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - مقطع جذب اشعه ، د- ضخامت هدف)

شکل 10 سطح مقطع جذب اشعه توسط هسته های ایندیوم.

در انرژیهای نوترونی پایین ، اثرات رزونانس و سطح مقطع جذب تابشی بسیار قوی است

برای نوترونهای کند Γ = Γ n + Γ γو Γ γ ≈ const ~ 0.1 eV... بنابراین ، وابستگی سطح مقطع برای جذب تابشی به انرژی ، وابستگی سطح مقطع را برای تشکیل هسته مرکب تکرار می کند. به مقدار بسیار زیاد مقطع جذب برای ایندیوم (شکل 10) در انرژی نوترونی 1.46 ولت ولت توجه کنید. 4 مرتبه بزرگتر از سطح مقطع هندسی هسته است. ایندیوم در ترکیبات دارای کادمیوم برای استفاده به عنوان مواد جاذب در راکتورها گنجانده شده است.

همانطور که اشاره شد ، هسته (A + 1 ، Z)ناشی از جذب نوترون اغلب رادیواکتیو با نیمه عمر کوتاه است. تابش رادیواکتیو و پوسیدگی رادیواکتیو برای هر عنصر به خوبی شناخته شده است. از سال 1936 ، رادیواکتیویته ناشی از نوترون برای شناسایی عناصر مورد استفاده قرار گرفت. روش نامگذاری شد "تجزیه و تحلیل فعال سازی"... یک نمونه حدود 50 میلی گرم کافی است. تجزیه و تحلیل فعال سازی می تواند تا 74 عنصر را تشخیص دهد و برای تعیین ناخالصی در مواد فوق خالص (در ساختمان راکتور و صنایع الکترونیک) ، محتوای عناصر کمیاب در اجسام بیولوژیکی در تحقیقات زیست محیطی و پزشکی و همچنین در باستان شناسی و پزشکی قانونی استفاده می شود. تجزیه و تحلیل فعال سازی نیز با موفقیت در جستجوی مواد معدنی ، برای کنترل فرآیندهای تکنولوژیکی و کیفیت محصولات استفاده می شود.

شکافت هسته ای پدیده ای است که در آن یک هسته سنگین به دو قطعه نابرابر (بسیار نادر به سه قسمت) تقسیم می شود. در سال 1939 توسط رادیوشیمی آلمانی هان و استراسمن کشف شد که ثابت کردند تابش اورانیوم با نوترونها عنصری را از وسط سیستم تناوبی باریم تولید می کند. 56 با.

چند روز پس از انتشار این خبر ، فیزیکدان ایتالیایی E. Fermi (که به ایالات متحده نقل مکان کرده بود) آزمایشی را برای مشاهده قطعات شکافت انجام داد. نمک اورانیوم در قسمت داخلی صفحات محفظه یونیزاسیون پالسی قرار داده شد (شکل 11). هنگامی که یک ذره باردار وارد حجم محفظه می شود ، در خروجی یک ضربه الکتریکی داریم که دامنه آن متناسب با انرژی ذره است. اورانیوم رادیواکتیو است ، ذرات α پالسهای متعددی با دامنه کوچک می دهند. هنگامی که اتاق با نوترونها تابش شد ، پالسهایی با دامنه بزرگ ناشی از قطعات شکافت تشخیص داده شد. این قطعات دارای بار بزرگ و انرژی 100 مگاوات ولت هستند. چند روز قبل ، اتو فریش بقایای موجود در اتاق ویلسون را مشاهده کرده بود.

تمیز دادن
• تقسیم اجباری- شکافت تحت تأثیر ذره حادثه ای (اغلب نوترون)

  معمولاً انرژی جنبشی ذره حادثه T a کوچک است و واکنش از طریق هسته مرکب ادامه می یابد: a + A => C * => B 1 + B 2

• تقسیم خود به خود (خود به خود)... در سال 1940 توسط فلوروف و پترژاک توسط فیزیکدانان شوروی کشف شد. اورانیوم 235 U با نیمه عمر تقریباً 2 * 10 17 سال قابل شکافت است. در هر شکافت 108 α-فروپاشی وجود دارد و تشخیص این پدیده بسیار دشوار است.

نظریه اولیه شکافت

اجازه دهید شرایط اولیه برای امکان شکافت با استفاده از مدل قطره را بیابیم.

انرژی شکافت

شکافت هسته را در نظر بگیرید جبه دو قطعه C => B 1 + B 2... در صورتی که انرژی های اتصال دهنده و قطعات به نسبت نسبت داشته باشند ، انرژی آزاد می شود

G osc = G C - G 1 - G 2 بر اساس مدل قطره ، متوجه می شویم که در چه اعدادی جرمی است A Cو شماره سریال Z Cشرط (7) برآورده شده است

(8)

ما این عبارات را در (7) جایگزین می کنیم ، در حالی که قطعه کوچکتر را انتخاب می کنیم Z 1 = (2/5) Z C ، A 1 = (2/5) A Cو برای سنگین ترها Z 2 = (3/5) Z C ، A 2 = (3/5) A C.

شرایط اول و چهارم در (8) لغو می شود آنها نسبت به آنها خطی هستند آو Z.

دو عبارت اول در (9) تغییر در انرژی کشش سطحی است ΔW pov، و دو مورد آخر تغییر در انرژی کولن است ΔW خنک است... نابرابری (7) اکنون به این شکل است

G osc = - ΔW sp - ΔW cool = 0.25 ΔW sp - 0.36 ΔW سرد

اگر Z 2 / A> 17سپس انرژی آزاد می شود نگرش Z 2 / Aنامیده می شوند پارامتر تقسیم.

وضعیت Z 2 / A> 17برای همه هسته ها شروع می شود ، با نقره شروع می شود 47 108 Ag... در زیر مشخص می شود که چرا اورانیوم گران قیمت به عنوان سوخت در راکتورها استفاده می شود و نه مواد ارزان تر.

مکانیسم تقسیم

وضعیت Z 2 / A> 17برای همه عناصر نیمه دوم جدول تناوبی انجام می شود. با این حال ، تجربه نشان می دهد که فقط هسته های بسیار سنگین تقسیم شده اند. موضوع چیه؟ یادمان باشد α -فسردگی اغلب اوقات از نظر انرژی مفید است ، اما اتفاق نمی افتد ، زیرا از سد کولن جلوگیری می کند. بیایید ببینیم شرایط در مورد تقسیم چگونه است. احتمال شکافت بستگی به مقدار مجموع انرژی سطح و کولنب هسته و قطعات اولیه دارد. بیایید ببینیم که چگونه این انرژیها با تغییر شکل هسته - افزایش ، چگونه تغییر می کنند پارامتر تقسیم ρ .

انرژی کشش سطحی W povافزایش می یابد ، سپس ، هنگامی که قطعات شکل کروی می گیرند ، ثابت می ماند. انرژی کولنب W خنکفقط به آرامی در ابتدا کاهش می یابد ، و سپس به صورت 1 / ρ... جمع آنها در Z 2 / A> 17و Z2 / A همانطور که در شکل 13. نشان داده شده رفتار می کند ، یک مانع بالقوه با ارتفاع وجود دارد B fجلوگیری از تفرقه شکافت خود به خود می تواند به دلیل پدیده نشت مکانیکی کوانتومی (اثر تونل زنی) رخ دهد ، اما احتمال این امر بسیار کم است ، بنابراین نیمه عمر ، همانطور که در بالا ذکر شد ، بسیار زیاد است.

اگر Z 2 / A> 49، سپس ارتفاع مانع B f = 0، و شکافتن چنین هسته ای به صورت لحظه ای (در زمان هسته ای به ترتیب 10 -23 با).

برای شکافت هسته ، لازم است انرژی بیشتری از آن به آن داده شود B f... این امر با گرفتن نوترون امکان پذیر است. در این حالت ، فرمول (2) به شکل زیر خواهد بود

(11)

اینجا ε nانرژی اتصال نوترون در هسته است که در حین جذب آن به دست می آید. T nانرژی جنبشی نوترون حادثه است.

اجازه دهید ملاحظات برهم کنش نوترونها را به طور خلاصه بیان کنیم.

واکنشهای هسته ای تحت تأثیر ذرات باردار

بر خلاف نوترون ها ، هنگام در نظر گرفتن برخورد ذرات باردار با یک هسته ، لازم است حضور کولن را در نظر بگیریم.

مانع تعامل یک نوترون با یک هسته با یک چاه عمیق (30 - 40 مگا الکترون ولت) با شعاع مشخص می شود. R i(شکل 14 الف). نوترونی که به هسته نزدیک می شود جاذبه ای قوی را تجربه می کند. در مورد برهم کنش ذرات باردار با یک هسته ، منحنی پتانسیل شکل 14b دارد. هنگام نزدیک شدن به هسته ، ابتدا دافعه کولن (نیروهای دوربرد) را داریم و در فاصله ای از R iیک جاذبه هسته ای قدرتمند ظاهر می شود ارتفاع مانع کولن B خنکتقریبا مساوی

به عنوان مثال ، برای برخورد پروتون ها با هسته اکسیژن ، ارتفاع مانع 3.5 مگاوات ولتاژ با اورانیوم ، 15 مگاوات ولت خواهد بود. برای α -ذرات ، ارتفاع موانع 2 برابر بیشتر است. اگر انرژی جنبشی ذره T ، این احتمال وجود دارد که ذره به دلیل اثر تونل زنی وارد هسته شود. اما شفافیت سد بسیار پایین است و به احتمال زیاد پراکندگی الاستیک رخ می دهد. به همین دلیل ، خروج یک ذره باردار از هسته مشکل است. یادمان باشد α -فسردگی

وابستگی سطح مقطع به یک واکنش هسته ای برای ذرات باردار دارای ویژگی آستانه است. اما قله های طنین ضعیف بیان شده یا کاملاً وجود ندارد ، زیرا در انرژی ~ MeV ، چگالی سطوح هسته ای زیاد است و با هم تداخل دارند.

در آینده ، امیدهای زیادی با واکنشهای همجوشی گرمایی هسته ای همراه است 2 H + 2 H => 3 He + pیا 2 H + 3 H => 4 He + n، که با انتشار انرژی بسیار بالا متمایز می شوند. مانع چنین واکنش هایی ، سد کولن است. لازم است ماده را در دماهایی گرم کنید که انرژی ذرات را افزایش دهد kTبگذار واکنش نشان دهند درجه حرارت 1.16 10 7مربوط به 1 keV است. برای به دست آوردن واکنش پایدار "پلاسما" ، سه شرط باید رعایت شود:

پلاسما باید تا دمای مورد نیاز گرم شود ،

چگالی پلاسما باید به اندازه کافی بالا باشد

دما و چگالی باید در مدت زمان طولانی حفظ شود.

و در اینجا مشکلات پیوسته وجود دارد: محدود کردن پلاسما در تله های مغناطیسی ، ایجاد موادی برای راکتور که در برابر تابش قوی نوترون مقاومت می کند و غیره. هنوز مشخص نیست که تولید برق با استفاده از همجوشی حرارتی چقدر مقرون به صرفه است. پیشرفت مستمری در تحقیقات صورت گرفته است.

حداکثر اتلاف انرژی (حداقل E "n) در خواهد بود θ = π : E "min = αE(برای هیدروژن E "دقیقه = 0).

در انرژیهای پایین (نگاه کنید به (1)) ، پراکندگی همسانگرد است ، همه مقادیر زوایا θ به یک اندازه محتمل هستند از آنجا که بین زاویه پراکندگی θ و انرژی نوترون پراکنده E "nاین رابطه بدون ابهام است (12) ، توزیع انرژی نوترونها پس از یک پراکندگی یکنواخت خواهد بود (شکل 15). می توان آن را به عنوان فرمول نشان داد

(13)

میانگین اتلاف انرژی لگاریتمی کاهش سرعت. عامل کاهش سرعت

بیایید ببینیم که چگونه تعداد زیادی از برخوردها بر انرژی نوترون تأثیر می گذارد. در این مورد ، راحت است که از مقیاس انرژی ، بلکه از مقیاس لگاریتم استفاده نکنید ε = lnE: ما دیدیم (نگاه کنید به (12)) که E "/ Eبستگی ندارد ه، یعنی به طور متوسط ​​، درصد اتلاف انرژی یکسان است. در مقیاس انرژی ، تغییر انرژی به این شکل است

آن ها دقیقا lnE، اما نه همقدار کمی یا بیشتر ثابت تغییر می کند.

میانگین انرژی نوترونی پس از برخورد

میانگین اتلاف انرژی

میانگین اتلاف انرژی لگاریتمی

ξ بستگی ندارد ه... حرکت محور lnEلباس فرم. فقط می توانید تعداد متوسط ​​برخوردها را محاسبه کنید nکاهش سرعت از E شروعبه فینال E con:

(14)

جدول زیر مقادیر را نشان می دهد ξ و nبرای تعدادی از هسته ها با تعدیل نوترون از انرژی 1 مگا الکترون ولت تا حرارت 0.025 ولت.

				ξΣ s ، 1 / ​​cm	ξΣ s / Σ a

با نگاه کردن به ستون 4 ، ممکن است به نظر برسد که سرعت هیدروژن بهتر از سایرین کاهش می یابد. اما ما همچنین باید تعداد دفعات برخورد را در نظر بگیریم. برای هیدروژن گازی و مایع ξ = 1، اما واضح است که مسیری که در هنگام کاهش سرعت طی می شود متفاوت خواهد بود. ستون 5 ضرر لگاریتمی را نشان می دهد ξ چند برابر نرخ برخورد - عقب ماندگی... و در اینجا بهترین تعدیل کننده آب معمولی است. اما تعدیل کننده خوب باید نوترون ها را ضعیف جذب کند. در ستون آخر ، ششم ، میانگین ضرر لگاریتمی در نسبت سطح پراکندگی و جذب ماکروسکوپی ضرب می شود. در مقایسه اعداد ، مشخص است که چرا از آب سنگین یا گرافیت به عنوان تعدیل کننده در راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

زمان متوسط ​​کاهش سرعت

اجازه دهید زمان لازم برای کند شدن نوترون در نتیجه برخورد از انرژی اولیه را تخمین بزنیم E 0به فینال E به... ما محور انرژی را به بخشهای کوچک تقسیم می کنیم ΔE... برخورد در هر بخش ΔEنزدیک ه

طول مسیر رایگان λ sتوسط سطح مقطع برای پراکندگی الاستیک تعیین می شود σ sو غلظت هسته تعدیل کننده N

, (15)

جایی که Σ sمقدار نامیده می شود بخش ماکروسکوپی... زمان مورد نیاز برای کاهش سرعت ΔE، به عنوان حاصلضرب فاصله زمانی و گذر از مسیر آزاد توسط تعداد برخورد توسط تعریف می شود ΔE

با عبور از مقدارهای نامحدود و ادغام ، برای زمان کاهش سرعت به دست می آوریم t

به عنوان مثال ، برای بریلیوم در E 0= 2 مگا الکترون ولت ، E به= 0.025 eV ، λ s= 1.15 سانتی متر ، ξ = 0.21 ما 3.4 · · 10 -5 ثانیه می گیریم. توجه داشته باشید که اولاً این مقدار بسیار کمتر از نیمه عمر نوترون آزاد (~ 600 ثانیه) است و ثانیاً با حرکت در نزدیکی انرژی محدود تعیین می شود.

توزیع فضایی نوترون ها

اجازه دهید محیط دارای یک منبع ایزوتروپیک نقطه ای از نوترونهای سریع با انرژی اولیه باشد E 0... فاصله L معاون، که توسط آن ، به طور متوسط ​​، نوترونها در طول کاهش سرعت به حذف می شوند E بهنامیده میشود طول کاهش سرعت... مسیر واقعی پیموده شده توسط نوترون بسیار بزرگتر است ، زیرا مسیر حرکت یک خط شکسته از بخشهای طول است λ s... کمیت L معاونبا پارامترهای محیط تعدیل ، انرژی اولیه و نهایی نوترون تعیین می شود:

برای آب سنگین با کاهش سرعت از 2 مگا الکترون ولت به حرارت 0.025 ولت ولت L معاون~ 11 سانتی متر ، برای گرافیت ~ 20 سانتی متر.

در نتیجه کاهش سرعت در حجم با شعاع مرتبه ای از سرعت کاهش ، نوترون های حرارتی با توزیع انرژی ماکسول تولید می شود. نوترونهای حرارتی شروع به انتشار می کنند (به صورت آشفته حرکت می کنند) و از طریق ماده در همه جهات از منبع پخش می شوند. این فرآیند با در نظر گرفتن جذب نوترون با معادله انتشار توصیف می شود

(16)

در این معادله Φ - شار نوترون (تعداد نوترون هایی که از واحد سطح در واحد زمان عبور می کنند) ، Σ sو Σ aبه ترتیب پراکندگی ماکروسکوپی (نگاه کنید به (15)) و مقطع جذب ، د- ضریب انتشار، س- منبع نوترونی در این معادله ، اصطلاح اول حرکت نوترونها در ماده ، دوم - جذب و سومین تولد را توصیف می کند.

ویژگی اصلی رسانه توصیف کننده فرآیند انتشار است طول انتشار تفاوت L

طول انتشار مشخص کننده میانگین حذف نوترون از منبع قبل از جذب است. برای آب سنگین تفاوت L~ 160 سانتیمتر ، برای گرافیت ~ 50 سانتیمتر. آب معمولی به شدت نوترونها را جذب می کند و تفاوت Lفقط 2.7 سانتیمتر. با مقایسه طول انتشار (در گرافیت 50 سانتیمتر) با طول مسیر نوترونی قبل از جذب ، مسیر نوترونی در طول انتشار چقدر پیچیده و طولانی است. λ a = 1 / Σ a(در همان گرافیت 3300 سانتی متر).

در عمل ، آنها اغلب با انتقال نوترون از یک محیط به محیط دیگر سروکار دارند. به عنوان مثال ، هسته راکتور توسط یک بازتابنده احاطه شده است. ضریب انعکاس β - کسری از نوترون هایی که از محیط بدون منبع به محیط منبع باز می گردند. تقریباً ، β ≈ 1 - 4 D / L diffجایی که پارامترها به محیط بدون منبع اشاره می کنند. به عنوان مثال ، از یک بازتابنده گرافیت β = 0.935 ، یعنی 93 درصد نوترون ها برمی گردند. گرافیت یک بازتابنده عالی است. بهتر است فقط آب سنگین ، کجا β = 0.98!

واکنش زنجیره ای در یک محیط حاوی یک ماده شکافت پذیر

ما یک محیط همگن حاوی ماده شکافت پذیر داریم. هیچ منبع اضافی نوترون وجود ندارد ، آنها فقط در نتیجه شکافت هسته ای ظاهر می شوند. فرض می کنیم که همه فرایندها در یک انرژی (به اصطلاح تقریب تک سرعته) س isال این است: آیا می توان از این ماده یک توپ ساخت که در آن یک واکنش زنجیره ای ثابت حفظ می شود؟

نیاز داریم:

• مقطع جذب ماکروسکوپی نوترون Σ جذب می شود، که از قسمت گرفتن بدون تقسیم تشکیل شده است Σ ضبط(جذب اشعه) و مقطع شکافت موارد Σ: Σ جذب می شود = Σ ضبط + موارد Σ;
• تعداد متوسط ​​نوترون υ در یک عمل تقسیم آزاد شد.

سپس معادله شار نوترون Φ در حالت ثابت به نظر می رسد

با شرط مرزی

,

به این معنی که در برخی فاصله ها داز یک شعاع شکافت پذیر رنخ باید صفر شود

اگر معادله جریان را مقایسه کنیم Φ با (16) ، می توان دریافت که منبع مقدار است υΣ div Φ- تعداد نوترونهای تولید شده در واحد حجم در واحد زمان.

سه مورد را در نظر بگیرید

υΣ div - نوترونهای کمتری نسبت به جذب تولید می شود. بدیهی است که واکنش ثابت غیرممکن است.

• υΣ div = Σ جذب- منبع جذب نوترون را جبران می کند. راه حل معادله (17) می دهد Φ = constفقط برای محیط بی پایاندر غیر این صورت ، به دلیل نشت نوترون از طریق محیط ، واکنش خاموش می شود.

  υΣ div> Σ جذب- می توان چنین اندازه ای از یک گوی ماده شکافت پذیر را انتخاب کرد تا مازاد نوترون ها از مرزهای توپ خارج شود (برای جلوگیری از انفجار هسته ای).

اجازه دهید نماد را معرفی کنیم ω 2 = (Σ جذب - υΣ div) / D> 0... معادله (17) شکل می گیرد

(18)

خود تصمیم مشترکبه نظر می رسد

(19)

ضریب بدر (19) باید مساوی صفر باشد تا محلول در آن واگرا نشود r = 0... یافتن راه حل نهایی با در نظر گرفتن درست شرایط مرزی و برای مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم (235 U - 0.7٪ ، 235 U - 99.3٪ ، پیچیده است. Σ جذب می شود= 0.357 1 / سانتی متر ، موارد Σ= 0.193 1 / سانتی متر ، υ = 2.46) ما به عنوان حداقل مقدار کل بدست می آوریم 5 پوندببینید این کار چه تفاوتی با وظیفه واقعی دارد؟ در حقیقت ، نوترونها سریع متولد می شوند و باید به سرعت به انرژی گرمایی کاهش پیدا کنند. اولین راکتور ، ساخته شده توسط E. Fermi (1942) ، ابعادی در حدود 350 سانتی متر داشت.

واکنش زنجیره ای. راکتور هسته ای

به وسایلی که در آن ها انرژی به دلیل واکنش زنجیره ای شکافت ثابت به دست می آید ، گفته می شود اتمیراکتورها (به عنوان مثال ، آنها می گویند ، یک نیروگاه هسته ای ، نیروگاه هسته ای) ، اگرچه در واقع چنین است هسته ایراکتورها طراحی راکتورهای هسته ای بسیار پیچیده است ، اما عنصر اساسی هر راکتور هسته ای است که واکنش شکافت در آن صورت می گیرد.

هسته شامل مواد شکافتنی ، تعدیل کننده ، میله های کنترل کننده (تنظیم کننده) ، عناصر ساختاری است و توسط یک بازتاب کننده نوترونی احاطه شده است تا تلفات دومی را کاهش دهد. همه اینها در داخل حفاظت در برابر شار نوترون است ، γ - تابش - تشعشع.

سرنوشت نوترون در هسته

تصرف اورانیوم توسط هسته با شکافتن بعدی این هسته.

جذب اورانیوم توسط هسته با انتقال بعدی هسته به حالت اولیه با انتشار γ - کوانتوم (جذب اشعه) ؛

ضبط هسته تعدیل کننده یا عناصر ساختاری ؛

خروج از هسته ؛

جذب توسط میله های کنترل

نوترونها در طول شکافت هسته ای ساطع می شوند ، سپس جذب می شوند یا هسته را ترک می کنند. اجازه دهید ما با کضریب ضرب - نسبت تعداد نوترونهای نسل بعدی n i + 1به شماره قبلی n i

اگر عمر یک نسل را معرفی کنیم τ ، سپس معادله تعداد نوترونها nو راه حل او به این شکل خواهد بود

(21)

اگر ضریب کبا 1 متفاوت است ، سپس تعداد نوترونها کاهش می یابد ( k) یا افزایش می یابد ( k> 1) به صورت نمایی ، یعنی بسیار سریع.

(تأثیر ضرب ضرب را مشاهده کنید کو طول عمر یک نسل τ در مورد پویایی تعداد نوترون ها با تجربه ساده)

عامل تولید مثل کمی تواند به عنوان محصول ضریب نشان داده شود k ∞برای محیط و احتمال نامتناهی نهمنطقه فعال را ترک کنید χ

کمیت χ بستگی به ترکیب هسته ، اندازه ، شکل و مواد بازتابنده دارد.

با در نظر گرفتن یک راکتور که روی نوترون های حرارتی کار می کند ، ضریب k ∞می تواند به عنوان چهار عامل ارائه شود

جایی که

ε عامل ضرب سریع نوترون است (برای سیستمهای واقعی ساخته شده از اورانیوم و گرافیت ε ~ 1.03);

پ- احتمال اجتناب از جذب رزونانس در هنگام کاهش سرعت. به یاد بیاورید که نوترونها به سرعت تولید می شوند و هنگام کاهش سرعت به انرژی های حرارتی ، باید بر ناحیه رزونانس در مقطع جذب غلبه کنند (شکل 10 را ببینید).

f- کسری از نوترونهای جذب شده توسط هسته اورانیوم (نه تعدیل کننده یا عناصر ساختاری). ε p f ≈ 0.8;

η میانگین تعداد نوترونهای ساطع شده در یک عمل ضبط توسط هسته اورانیوم است (در حین جذب ، شکافت هسته ای ممکن است رخ دهد ، یا γ -تعداد) η ≈ 1.35(برای تعداد نوترون در هر رویداد شکافت با 2.5 پوند مقایسه کنید).

از داده های داده شده نتیجه می گیرد k ∞ = 1.08و χ = 0.93، که با اندازه راکتور مرتبه 5 - 10 متر مطابقت دارد.

جرم بحرانی- حداقل جرم ماده شکافتنی که در آن واکنش شکافت هسته ای خود پایدار می تواند در آن رخ دهد. اگر جرم ماده زیر مقدار بحرانی باشد ، تعداد زیادی از نوترونهای مورد نیاز برای واکنش شکافت از بین می رود و واکنش زنجیره ای صورت نمی گیرد. با جرمی بزرگتر از جرم بحرانی ، واکنش زنجیره ای می تواند مانند بهمن سرعت بگیرد که منجر به انفجار هسته ای می شود.

جرم بحرانی بستگی به اندازه و شکل نمونه شکافتنی دارد ، زیرا آنها نشت نوترون از نمونه را از طریق سطح آن تعیین می کنند. یک نمونه کروی دارای حداقل جرم بحرانی است ، زیرا مساحت آن کوچکترین است. بازتابنده ها و تعدیل کننده های نوترون های اطراف مواد شکافت پذیر می توانند جرم بحرانی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. جرم بحرانی نیز بستگی دارد ترکیب شیمیایینمونه.

"پدربزرگ" راکتورهای هسته ای داخلی اولین راکتور فیزیکی F-1 است که وضعیت بنای یادبود علم و فناوری را دریافت کرد. در سال 1946 تحت رهبری I.V. راه اندازی شد. کورچاتوف. گرافیت تصفیه شده به شکل میله هایی با سوراخ برای میله های اورانیوم به عنوان تعدیل کننده استفاده شد. کنترل توسط میله های حاوی کادمیوم انجام شد ، که نوترون های حرارتی را به شدت جذب می کند. هسته دیگ بخار حاوی 400 تن گرافیت و 50 تن اورانیوم بود. قدرت راکتور حدود 100 وات بود ؛ هیچ سیستم حذف حرارت خاصی وجود نداشت. در حین کار ، گرما در حجم زیادی از گرافیت جمع شد. سپس سنگ تراشی گرافیت با جریان هوا از طرف فن خنک شد. این راکتور هنوز به درستی کار می کند.

سهم انرژی هسته ای در تولید برق جهانی بود سالهای مختلف 10 تا 20 درصد بیشترین درصد (74 پوند) برق در نیروگاه های هسته ای در فرانسه تولید می شود. در روسیه 15 ~

فرایند راه اندازی فیزیکی راکتور اتمی چگونه به نظر می رسد توسط یک مدل کامپیوتری نشان داده شده است.

اگر می خواهید نحوه یادگیری مطالب سخنرانی را بررسی کنید ،

نقش مهمی در توسعه ایده ها در مورد ساختار هسته ها با مطالعه واکنش های هسته ای ایفا شد که اطلاعات گسترده ای در مورد چرخش ها و برابری حالتهای برانگیخته هسته ها ارائه کرد و به توسعه مدل پوسته کمک کرد. مطالعه واکنش ها با تبادل چند نوکلئون بین هسته های برخورد کننده امکان مطالعه دینامیک هسته را در حالت با گشتاور زاویه ای بزرگ فراهم کرد. در نتیجه ، نوارهای چرخشی طولانی کشف شد که به عنوان یکی از پایه های ایجاد یک مدل کلی از هسته عمل می کرد. هنگام برخورد هسته های سنگین ، هسته هایی تشکیل می شوند که در طبیعت وجود ندارند. سنتز عناصر ترانس اورانیوم تا حد زیادی بر اساس فیزیک برهم کنش هسته های سنگین است. در واکنش با یونهای سنگین ، هسته هایی تشکیل می شوند که از باند پایداری بتا فاصله دارند. هسته های دور از باند پایداری با نسبت های مختلف بین برهم کنش های کولن و هسته ، نسبت بین تعداد پروتون ها و تعداد نوترون ها ، تفاوت قابل توجهی در انرژی اتصال پروتون ها و نوترون ها ، از هسته های پایدار متفاوت است. خود را در انواع جدیدی از پوسیدگی رادیواکتیو - رادیواکتیویته پروتون و نوترون و تعدادی دیگر از ویژگیهای خاص هسته های اتمی.
هنگام تجزیه و تحلیل واکنش های هسته ای ، لازم است ماهیت موجی ذرات متقابل با هسته ها را در نظر بگیریم. ویژگی موجی فرآیند تعامل ذرات با هسته ها به وضوح در پراکندگی الاستیک آشکار می شود. بنابراین ، برای نوکلئونهایی با انرژی 10 مگا الکترون ولت ، طول موج دوبرلی کاهش یافته کمتر از شعاع هسته است و یک الگوی مشخصه حداکثر و حداقل پراش در حین پراکندگی نوکلئون بوجود می آید. برای نوکلئونهایی با انرژی 0.1 MeV ، طول موج بزرگتر از شعاع هسته است و هیچگونه پراش وجود ندارد. برای نوترونهای دارای انرژی<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
واکنشهای هسته ای یک روش م forثر برای مطالعه دینامیک هسته ای است. واکنشهای هسته ای زمانی رخ می دهد که دو ذره برهم کنش داشته باشند. در طول واکنش هسته ای ، تبادل فعال انرژی و حرکت بین ذرات وجود دارد ، در نتیجه یک یا چند ذره تشکیل شده و از ناحیه فعل و انفعال پراکنده می شوند. در نتیجه واکنش هسته ای ، یک فرآیند پیچیده تجدید ساختار هسته اتمی رخ می دهد. همانطور که در توصیف ساختار هسته ، در توصیف واکنشهای هسته ای عملاً نمی توان راه حلی دقیق برای این مشکل به دست آورد. و همانطور که ساختار هسته با مدلهای مختلف هسته ای توصیف می شود ، روند واکنش هسته ای نیز با مکانیسم های مختلف واکنش توصیف می شود. مکانیسم واکنش هسته ای به عوامل مختلفی بستگی دارد - به نوع ذره حادثه ای ، نوع هسته هدف ، انرژی ذره حادثه ای و عوامل دیگر. یکی از موارد محدود کننده واکنش هسته ای است واکنش مستقیم هسته ای... در این حالت ، ذره حادثه ای انرژی را به یک یا دو نوکلئون هسته منتقل می کند و بدون برهم کنش با دیگر نوکلئونهای هسته ، هسته را ترک می کنند. زمان مشخصه یک واکنش مستقیم هسته ای 10-23 ثانیه است. واکنشهای هسته ای مستقیم روی همه هسته ها در هر انرژی ذره حادثه رخ می دهد. واکنشهای هسته ای مستقیم برای مطالعه حالات تک ذره ای هسته های اتمی مورد استفاده قرار می گیرد ، زیرا محصولات واکنش اطلاعاتی را در مورد موقعیت سطوحی که نوکلئون از آنها خارج می شود ، حمل می کنند. با کمک واکنشهای هسته ای مستقیم ، اطلاعات دقیقی در مورد انرژیها و اشغال حالتهای تک ذره ای هسته ها بدست آمد که اساس مدل پوسته هسته را تشکیل می دادند. مورد محدود کننده دیگر واکنش هایی است که در حال رخ دادن است تشکیل هسته مرکب.

شرح مکانیسم واکنشهای هسته ای در آثار W. Weisskopf ارائه شده است.

V. Weisskopf: "وقتی ذره ای وارد هسته می شود و با یکی از اجزای هسته برخورد می کند ، چه اتفاقی می افتد؟ شکل برخی از این امکانات را نشان می دهد.
1) ذره در حال سقوط بخشی از انرژی خود را از دست می دهد و ذره هسته ای را به حالت بالاتر می برد. اگر ذرات حادثه دار دارای انرژی کافی برای خروج مجدد از هسته باقی بمانند ، نتیجه پراکندگی غیر الاستیک خواهد بود. این فرایند پراکندگی غیر الاستیک مستقیم نامیده می شود ، زیرا شامل پراکندگی تنها در یک قسمت تشکیل دهنده هسته می شود.
2) ذره در حال سقوط انرژی را به حرکت جمعی منتقل می کند ، همانطور که به صورت نمادین در نمودار دوم شکل نشان داده شده است ، این نیز یک فعل و انفعال مستقیم است.
3) در طرح سوم شکل ، انرژی منتقل شده به اندازه ای بزرگ است که می تواند یک نوکلئون را از هدف خارج کند. این فرایند همچنین منجر به واکنش مستقیم هسته ای می شود. در اصل ، با 1) تفاوت ندارد ، مربوط به "واکنش مبادله" است.
4) ذره در حال سقوط می تواند آنقدر انرژی از دست بدهد که در داخل هسته محدود بماند ، انرژی منتقل شده را می توان توسط نوکلئون کم ارتفاع دریافت کرد به گونه ای که نمی تواند هسته را ترک کند. سپس یک هسته برانگیخته دریافت می کنیم ، که نمی تواند هسته ای از خود ساطع کند. این حالت لزوماً منجر به برانگیختگی بیشتر نوکلئونها در اثر برخوردهای داخلی می شود که در آن انرژی هر ذره برانگیخته به طور متوسط ​​کاهش می یابد ، به طوری که در بیشتر موارد یک نوکلئون نمی تواند هسته را ترک کند. در نتیجه ، حالتی با عمر بسیار طولانی حاصل می شود ، که تنها در صورتی می تواند پوسیدگی کند که یک ذره ، در برخورد درون هسته ، بطور تصادفی انرژی کافی برای خروج از هسته به دست آورد. ما این وضعیت را تشکیل هسته مرکب می نامیم. همچنین می توان با تابش انرژی را از دست داد ، پس از آن فرار یک ذره از نظر انرژی غیرممکن می شود: نوکلئون حادثه ای اشعه را تجربه می کند.
5) تشکیل هسته مرکب را می توان در دو یا چند مرحله انجام داد ، در صورتی که پس از فرآیندی از نوع 1) یا 2) نوکلئون حادثه ای به نوکلئون دیگری در راه برخورد کرده و آن را به گونه ای تحریک می کند که از هسته فرار کند. برای هیچ نوکلئونی غیرممکن است

برای اولین بار ، ایده پیشرفت یک واکنش هسته ای از طریق مرحله یک هسته مرکب توسط N. Bohr بیان شد. طبق مدل هسته مرکب ، یک ذره حادثه ای ، پس از برهم کنش با یک یا دو نوکلئون هسته ، بیشترین انرژی خود را به هسته منتقل می کند و توسط هسته اسیر می شود. طول عمر یک هسته مرکب بسیار بیشتر از زمان پرواز ذره ای است که از طریق هسته عبور می کند. انرژی وارد شده توسط ذره حادثه به هسته بین نوکلئونهای هسته توزیع می شود تا قسمت قابل توجهی از آن روی یک ذره متمرکز شود و سپس از هسته خارج می شود. تشکیل یک حالت هیجان زده طولانی مدت می تواند ، در نتیجه تغییر شکل ، منجر به تقسیم آن شود.

N. Bor: "پدیده جذب نوترون ما را مجبور می کند فرض کنیم که برخورد بین یک نوترون سریع و یک هسته سنگین باید قبل از هر چیز منجر به تشکیل یک سیستم پیچیده شود که با ثبات قابل توجهی مشخص می شود. پوسیدگی احتمالی بعدی این سیستم میانی با فرار یک ذره ماده یا گذار به حالت نهایی با انتشار کوانتومی از انرژی تابشی باید به عنوان فرآیندهای مستقلی در نظر گرفته شود که ارتباط مستقیمی با فاز اول برخورد ندارند. ما در اینجا با یک تفاوت قابل توجه ، که قبلاً ناشناخته بود ، بین واکنشهای هسته ای واقعی - برخورد عادی ذرات سریع و سیستمهای اتمی - برخورد می کنیم ، که تا به حال منبع اصلی اطلاعات در مورد ساختار اتم برای ما بوده است. در واقع ، امکان شمارش ذرات اتمی منفرد با چنین برخوردهایی و مطالعه خواص آنها ، در درجه اول به دلیل "باز بودن" سیستم های مورد بررسی است ، که تبادل انرژی بین ذرات تشکیل دهنده را بسیار بعید می کند. در طول اعتصاب با این حال ، به دلیل بسته بندی نزدیک ذرات در هسته ، ما باید برای این واقعیت آماده باشیم که این تبادل انرژی است که نقش اصلی را در واکنشهای هسته ای معمولی ایفا می کند. "

طبقه بندی واکنش های هسته ایواکنش های هسته ای وسیله ای م ofثر برای مطالعه ساختار هسته های اتمی است. اگر طول موج ذره حادثه ای بزرگتر از اندازه هسته باشد ، در چنین آزمایش هایی اطلاعاتی در مورد هسته به عنوان یک کل به دست می آید. اگر اندازه هسته کوچکتر باشد ، اطلاعات مربوط به توزیع چگالی ماده هسته ای ، ساختار سطح هسته ، همبستگی بین هسته ها در هسته و توزیع هسته ها بر روی پوسته های هسته ای از مقطع واکنش

• تحریک کولن هسته ها تحت تأثیر ذرات باردار با جرم نسبتاً بزرگ (پروتونها ، ذرات α و یونهای سنگین کربن ، نیتروژن) برای مطالعه سطوح چرخشی پایین هسته های سنگین استفاده می شود.
• واکنش با یونهای سنگین بر هسته های سنگین که منجر به همجوشی هسته ها می شود ، روش اصلی برای تولید هسته های اتمی فوق سنگین است.
• واکنشهای همجوشی هسته های نور در انرژیهای برخورد نسبتاً کم (اصطلاحاً واکنشهای هسته ای). این واکنشها به دلیل تونل زنی مکانیکی کوانتومی از طریق سد کولن است. واکنشهای هسته ای در داخل ستارگان در دمای 10 7-10-10 K انجام می شود و منبع اصلی انرژی برای ستارگان است.
• واکنشهای هسته ای و الکترون هسته ای هنگام برخورد با هسته های γ-کوانتوم و الکترونها با انرژی E> 10 MeV رخ می دهد.
• واکنشهای شکافت هسته های سنگین ، همراه با بازسازی عمیق هسته.
• واکنش با پرتوهای هسته های رادیواکتیو امکان بدست آوردن و مطالعه هسته ها با نسبت غیرمعمول تعداد پروتون ها و نوترونها را به دور از خط ثبات باز می کند.

واکنشهای هسته ای معمولاً با توجه به نوع و انرژی ذره حادثه ، نوع هسته های هدف و انرژی ذره حادثه طبقه بندی می شوند.

واکنشهای نوترونی آهسته

"1934 یک روز صبح برونو پونتکوروو و ادواردو آمالدی در حال آزمایش برخی از فلزات برای رادیواکتیویته بودند. این نمونه ها به شکل استوانه های کوچک توخالی با همان اندازه شکل گرفته بودند که می توان در داخل آنها منبع نوترونی قرار داد. برای تابش چنین استوانه ای ، منبع نوترونی در آن قرار داده شد ، و سپس همه چیز در جعبه سربی قرار گرفت. در این صبح مهم ، آمالدی و پونتهکورو آزمایش هایی را با نقره انجام دادند. و ناگهان Pontecorvo متوجه شد که اتفاق عجیبی در مورد استوانه نقره ای رخ می دهد: فعالیت آن همیشه یکسان نبود ، بسته به جایی که در وسط یا گوشه جعبه سربی قرار داده شد ، تغییر کرد. در کمال سردرگمی ، آمالدی و پونتهکورو رفتند تا این معجزه را به فرمی و راستی گزارش دهند. فرانک تمایل داشت که این عجایب را به برخی خطاهای آماری یا اندازه گیری های نادرست نسبت دهد. و انریکو ، که معتقد بود هر پدیده ای نیاز به تأیید دارد ، پیشنهاد کرد که آنها سعی کنند این استوانه نقره ای را در خارج از جعبه سربی تابانده و ببینند چه اتفاقی می افتد. و سپس معجزات کاملاً باورنکردنی برای آنها رخ داد. معلوم شد که اجسام در مجاورت استوانه می توانند بر فعالیت آن تأثیر بگذارند. اگر سیلندر در حالی که روی میز چوبی ایستاده بود تابش شود ، فعالیت آن بیشتر از زمانی بود که روی یک صفحه فلزی قرار می گرفت. اکنون کل گروه به این موضوع علاقه مند بودند و همه در آزمایشات شرکت کردند. آنها منبع نوترونی را خارج از استوانه قرار دادند و اجسام مختلفی را بین آن و استوانه قرار دادند. صفحه سرب کمی فعالیت را افزایش داد. رهبری−ماده سنگین است "خوب ، بیایید اکنون آسان را امتحان کنیم!−پیشنهاد شده توسط فرمی−بیایید بگوییم پارافین. " صبح روز 22 اکتبر ، آزمایش موم پارافین انجام شد.
آنها یک قطعه بزرگ پارافین برداشتند ، سوراخی را در آن خالی کردند و منبع نوترونی را در داخل قرار دادند ، استوانه ای نقره ای را تابانده و به یک شمارنده گایگر رساندند. پیشخوان ، انگار از زنجیر افتاده باشد ، فقط کلیک کرد. کل ساختمان با فریاد فریاد زد: "باور نکردنی! غیر قابل تصور! جادوی سیاه!" پارافین رادیواکتیویته مصنوعی نقره را صد برابر افزایش داد.
ظهر ، گروهی از فیزیکدانان برای استراحت ناهار خود که معمولاً دو ساعت طول می کشید با اکراه پراکنده شدند ... انریکو از تنهایی خود استفاده کرد و وقتی به آزمایشگاه بازگشت ، قبلاً نظریه ای داشت که تأثیر عجیب پارافین را توضیح می داد. "