Profesor

I.N.Bekman

FIZICA NUCLEARA

Prelegerea 16. INTERACȚIUNI NUCLEARE

Dezvoltarea fizicii nucleare este în mare măsură determinată de cercetări în domeniul reacțiilor nucleare. În această prelegere vom lua în considerare clasificarea modernă a interacțiunilor nucleare, a acestora

termodinamica și cinetica, precum și câteva exemple de reacții nucleare.

1. CLASIFICAREA REACȚIUNILOR NUCLEARE

Prin acțiune forțele nucleare două particule (două nuclee sau un nucleu și un nucleon) la apropierea de distanțe de ordinul 10 -13 cm intră într-o interacțiune nucleară intensă, ducând la transformarea nucleului. Acest proces se numește reacție nucleară. În timpul unei reacții nucleare, are loc o redistribuire a energiei și a impulsului ambelor particule, ceea ce duce la formarea altor câteva particule care scapă din locul de interacțiune. Când o particulă incidentă se ciocnește cu un nucleu atomic, se produce un schimb de energie și impuls între ele, ca urmare a căruia se pot forma mai multe particule, care zboară în direcții diferite din regiunea de interacțiune.

Reacții nucleare- transformări ale nucleilor atomici atunci când interacționează cu particule elementare, γ-cuante sau între ele.

Reacția nucleară este procesul de formare de noi nuclee sau particule în coliziuni de nuclee sau particule. Pentru prima dată, E. Rutherford a observat o reacție nucleară în 1919, bombardând nucleele atomilor de azot cu particule α; a fost înregistrată prin apariția particulelor ionizante secundare cu un interval în gaz mai mare decât gama de particule α. și identificate ca protoni. Ulterior, fotografiile acestui proces au fost obținute cu ajutorul unei camere Wilson.

Orez. 1. Procese care apar în cursul reacțiilor nucleare

(sunt prezentate canalele de reacție de intrare și ieșire).

Prima reacție nucleară a fost efectuată de E. Rutherford în 1919: 4 He + 14 N → 17 O + p sau 14 N (α, p) 17 O. Sursa de particule α a fost un preparat α-radioactiv. Α-medicamentele radioactive din acel moment erau singurele surse de particule încărcate. Primul accelerator special conceput pentru studiul reacțiilor nucleare a fost construit de Cockcroft și Walton în 1932. Acest accelerator a fost primul

s-a obținut un fascicul de protoni accelerați și s-a efectuat reacția p + 7 Li → α + α.

Reacțiile nucleare sunt principala metodă pentru studierea structurii și proprietăților nucleilor atomici. În reacțiile nucleare, sunt studiate mecanismele de interacțiune a particulelor cu nucleii atomici, mecanismele de interacțiune dintre nucleele atomice. Ca urmare a reacțiilor nucleare, se obțin noi izotopi care nu se găsesc în condiții naturale și elemente chimice... Dacă, după coliziune, se păstrează nucleele și particulele originale și nu se nasc altele noi, atunci reacția se împrăștie elastică în câmpul forțelor nucleare, însoțită doar de o redistribuire energie kineticăși impulsul particulei și nucleului țintă și se numește potențial

împrăștiere.

Consecința interacțiunii bombardării particulelor (nucleelor) cu nucleele țintă poate fi:

1) Răspândirea elastică, în care nu se schimbă nici compoziția, nici energia internă, ci doar o redistribuire a energiei cinetice, în conformitate cu legea impactului intern.

2) Împrăștierea inelastică, în care compoziția nucleilor care interacționează nu se schimbă, dar o parte din energia cinetică a nucleului de bombardare este cheltuită pentru excitarea nucleului țintă.

3) De fapt, o reacție nucleară, în urma căreia proprietățile interne și compoziția nucleilor care interacționează se schimbă.

	Orez. 2. Reacția nucleară a litiului-6 cu deuteriul 6 Li (d, α) α
	Reacțiile nucleare arată puternic, electromagnetic și slab
	interacțiuni.
	Sunt cunoscute multe tipuri diferite de reacții. Ele pot fi clasificate în
	reacții sub acțiunea neutronilor, sub acțiunea particulelor încărcate și sub acțiune
	V vedere generala interacțiunea nucleară poate fi scrisă sub formă
	a1 + a2 → b1 + b2 +…,
	unde a 1 și a 2 sunt particule care intră în reacție și b 1, b 2, ... sunt particule,
rezultată din reacție (produse de reacție).
	Cel mai frecvent tip de reacție este interacțiunea unei particule ușoare a cu un nucleu A, în
în urma căreia se formează o particulă ușoară b și un nucleu B
	a + A → b + B
	Sau mai scurt
	A (a, b) B.

Ca a și b se pot lua neutroni (n), protoni (p), α - particule, deuteron (d) și γ-cuantică.

Exemplul 1. Reacție nucleară

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

v prescurtat ca 14 N (α, p) 17 O

Exemplul 2. Luați în considerare reacția 59 Co (p, n). Care este produsul acestei reacții? Soluţie. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

pe partea stângă avem 27 + 1 proton. CU partea dreapta 0 + X protoni, unde X este numărul atomic al produsului. Evident, X = 28 (Ni). Pe partea stângă sunt 59 + 1 nucleoni, iar pe partea dreaptă 1 + Y nucleoni, unde Y = 59. Astfel, produsul de reacție este de 59 Ni.

Reacția se poate desfășura în mai multe moduri concurente:

Variat căi posibile cursul unei reacții nucleare în a doua etapă se numește canale de reacție. Primul stagiu reacția se numește canal de intrare.

Orez. 3. Canale de interacțiune a protonilor cu 7 Li.

Ultimele două canale de reacție din schema (6) se referă la cazurile de dispersie nucleară inelastică (A * + a) și elastică (A + a). Acestea sunt cazuri speciale de interacțiune nucleară, care diferă de altele prin faptul că produsele de reacție coincid cu particulele,

reacționând, cu împrăștierea elastică reținând nu numai tipul nucleului, ci și starea sa internă, în timp ce împrăștierea inelastică se modifică starea internă a nucleului (nucleul trece într-o stare excitată). Posibilitatea diferitelor canale de reacție este determinată de proiectil, energia și nucleul său.

Atunci când studiați o reacție nucleară, este de interes să identificați canalele de reacție, probabilitatea comparativă de a trece prin diferite canale la diferite energii ale particulelor incidente, energia și distribuția unghiulară a particulelor rezultate, precum și starea lor internă (excitație energie, rotire, paritate, rotire izotopică).

Reacțiile nucleare sunt transformări ale nucleilor atomici atunci când interacționează cu particule elementare (inclusiv y-quanta) sau între ele. Cel mai comun tip de reacție nucleară este o reacție, scrisă simbolic după cum urmează:

unde X și Y sunt nucleele inițiale și finale, Ași B- bombardarea și particulele emise (sau emise) într-o reacție nucleară.

În orice reacție nucleară, legile conservării sarcinii și numere de masă: suma taxei (masiv) numărul de nuclee și particule care intră într-o reacție nucleară este egal cu suma numărului de sarcină (masă) al produselor finale (nuclee și particule) ale reacției... De asemenea, efectuat legile conservării energiei, impulsși impuls unghiular.

Spre deosebire de dezintegrarea radioactivă, care are loc întotdeauna cu eliberarea de energie, reacțiile nucleare pot fi atât exoterme (cu eliberarea de energie), cât și endotermice (cu absorbția de energie).

Un rol important în explicarea mecanismului multor reacții nucleare l-a avut ipoteza lui N. Bohr (1936) că reacțiile nucleare se desfășoară în două etape conform următoarei scheme:

Prima etapă este captarea unei particule a de către nucleul X, care a abordat-o la o distanță de acțiune a forțelor nucleare (aproximativ 2 10 15 m) și formarea unui nucleu intermediar C, numit compus (sau compus nucleu). Energia particulei care a zburat în nucleu este repartizată rapid între nucleonii nucleului compus, în urma căreia apare într-o stare excitată. În ciocnirea nucleonilor unui nucleu compus, unul dintre nucleoni (sau combinația lor, de exemplu, un deuteron - nucleul unui izotop greu de hidrogen - deuteriu, conținând un proton și un neutron) sau o particulă cx energie suficientă pentru a scăpa din nucleu. Ca urmare, a doua etapă a reacției nucleare este posibilă - decăderea unui nucleu compus într-un nucleu Y și o particulă B.

Clasificarea reacțiilor nucleare

Prin natura particulelor care participă la reacții:

• reacții sub influența neutronilor;
• reacții cauzate de particule încărcate (de exemplu, protoni, (particule X).

Prin energia particulelor care provoacă reacțiile:

• reacții la energii scăzute (de ordinul eV), care apar în principal cu participarea neutronilor;
• reacții la energii medii (mai multe MeV) care implică cuantă și particule încărcate;
• reacții la energii mari (sute și mii de MeV), ducând la crearea particulelor elementare absente într-o stare liberă și având mare importanță să le studieze.

Prin natura nucleelor ​​implicate în reacții:

• reacții asupra nucleelor ​​ușoare (A 50);
• reacții pe nuclei medii (50 A
• reacții asupra nucleelor ​​grele (A> 150).

Prin natura transformărilor nucleare în curs:

• reacții cu emisie de neutroni;
• reacții cu emisia de particule încărcate. Prima reacție nucleară vreodată (Rutherford; 1919)

Reacțiile nucleare sunt transformări ale nucleilor atomici atunci când interacționează cu particule elementare (inclusiv γ-cuante) sau între ele. Reacțiile simbolice sunt scrise sub forma:

X + a → Y + b sau X (a, b) Y

unde X și Y sunt nucleele inițiale și finale, a și b sunt bombardarea și particulele emise (sau emise) într-o reacție nucleară.

În orice reacție nucleară, legile conservării sarcinilor electrice și a numerelor de masă sunt îndeplinite: suma sarcinilor (și a numerelor de masă) ale nucleelor ​​și particulelor care intră într-o reacție nucleară este egală cu suma sarcinilor (și suma numere de masă) ale produselor finale (nuclee și particule) ale reacției. Legile conservării energiei, impulsului și impulsului unghiular sunt, de asemenea, îndeplinite.

Reacțiile nucleare pot fi atât exoterme (cu eliberarea de energie), cât și endotermice (cu absorbția de energie).

Reacțiile nucleare sunt clasificate:

1) prin natura particulelor care participă la ele - reacții sub influența neutronilor; particule încărcate; γ-cuantă;

2) de energia particulelor care le provoacă - reacții la energii mici, medii și mari;

3) prin natura nucleelor ​​care participă la ele - reacții la plămâni (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) miezuri;

4) prin natura transformărilor nucleare în curs - reacții cu emisia de neutroni, particule încărcate; reacții de captare (în cazul acestor reacții, nucleul compus nu emite particule, ci trece în starea fundamentală, emitând una sau mai multe γ-cuante).

Prima reacție nucleară a fost efectuată de Rutherford

1939 - O. Hahn și F. Strassmann au descoperit fisiunea nucleilor de uraniu: când uraniul este bombardat cu neutroni, apar elemente din partea de mijloc sistem periodic- izotopi radioactivi ai bariului (Z = 56), kripton (Z = 36) - fragmente de fisiune etc. Fisiunea unui nucleu greu în două fragmente este însoțită de eliberarea de energie de ordinul a 1 MeV pentru fiecare nucleon.

De exemplu, există două scenarii posibile pentru reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu.

Teoria fisiunii nucleilor atomici se bazează pe modelul core drop... Nucleul este considerat ca o picătură a unui lichid incompresibil încărcat electric (a) cu o densitate egală cu cea nucleară și respectând legile mecanicii cuantice. Când un neutron este capturat, stabilitatea unei astfel de picături încărcate este încălcată, nucleul ajunge ezitare- alternativ întins și comprimat. Probabilitatea fisiunii nucleare este determinată de energia de activare - energia minimă necesară pentru efectuarea reacției de fisiune nucleară. La energiile de excitație mai mici decât energia de activare a fisiunii, deformarea nucleului picăturii nu ajunge la critică (b), nucleul nu fisionează și revine la starea energetică a solului prin emiterea unei γ-cuantice. La energii de excitație mai mari decât energia de activare a fisiunii, deformarea picăturii atinge o valoare critică (c), se formează și se prelungește o „talie” în picătură (d) și începe fisiunea (e).

Fiecare dintre neutronii prompti generați în reacția de fisiune, care interacționează cu nucleii vecini de materie fissilă, provoacă o reacție de fisiune în ei. În același timp avalanşă creșterea numărului de acte de divizare - începe reacție în lanț de fisiune - o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acelei reacții. Condiția apariției unei reacții în lanț este prezența neutronii înmulțiți.

Factorul de multiplicare a neutronilor k este raportul dintre numărul de neutroni care apare într-o anumită legătură a reacției și numărul de astfel de neutroni din legătura anterioară.

O condiție necesară pentru dezvoltarea unei reacții în lanț: k> 1. Această reacție se numește reacție în evoluție. Când k = 1, are loc o reacție de auto-susținere. Pentru k<1 идет затухающая реакция.

Factorul de multiplicare depinde de natura substanței fisibile, iar pentru un izotop dat - de cantitatea sa, precum și de dimensiunea și forma miezului - spațiul în care are loc reacția în lanț.

Mărimea minimă a miezului, la care este posibilă o reacție în lanț, se numește dimensiunea critică.

Masa minimă de material fisibil într-un sistem de dimensiuni critice necesară pentru a avea loc o reacție în lanț se numește masă critică.

Reacțiile în lanț sunt împărțite în controlate și necontrolate. Explozia unei bombe atomice este un exemplu de reacție incontrolabilă. Reacțiile în lanț controlate au loc în reactoarele nucleare.

Un dispozitiv în care este menținută o reacție de fisiune nucleară controlată se numește reactor nuclear (sau atomic). Reactoarele nucleare sunt utilizate, de exemplu, în centralele nucleare.

Luați în considerare schema unui reactor de neutroni lent. Combustibilul nuclear din astfel de reactoare poate fi:

1) - în uraniul natural conține aproximativ 0,7%;

2) se obține din conform schemei

3) se obține din toriu conform schemei

În nucleul reactorului există elemente combustibile realizate din combustibil nuclear (elemente combustibile) 1 și un moderator 2 (în el neutronii sunt încetini la viteze termice). Tijele de combustibil sunt blocuri de material fisibil, închise într-o carcasă etanșă care absoarbe slab neutronii. Datorită energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare, elementele combustibile sunt încălzite și, prin urmare, pentru răcire, acestea sunt plasate în fluxul de lichid de răcire 3. Miezul este înconjurat de un reflector 4, care reduce scurgerea de neutroni. Menținerea unei stări stabile a reactorului se realizează folosind tije de control 5 din materiale care absorb puternic neutroni, de exemplu

din bor sau cadmiu. Lichidul de răcire din reactor este apă, sodiu lichid etc. Lichidul de răcire din generatorul de abur degajă căldura aburului, care intră în turbina de abur. Turbina roteste un generator electric, curentul din care curge in reteaua electrica.

Sarcinile noastre: să se familiarizeze cu principalele tipuri de dezintegrare radioactivă, în experimente virtuale pentru a arăta lanțurile transformărilor radioactive și o metodă de măsurare a constantei de dezintegrare.

Reacție nucleară - forţat transformarea unui nucleu atomic sub acțiunea altor particule (aproximativ spontan schimbarea nucleelor ​​atomice prin emiterea de particule elementare - radioactivitate citit într-o altă prelegere).

Dacă aveți dubii dacă ați văzut vreodată o reacție nucleară, aruncați o privire la cer într-o zi senină. Vom vorbi despre reacțiile la Soare mai târziu.

Cel mai adesea pe nucleu A o particulă relativ ușoară intră A(de exemplu, neutroni, protoni, α -particulă etc.), iar la apropierea la o distanță de ordinul a 10 -15 m ca urmare a acțiunii forțelor nucleare, se formează un nucleu Vși o particulă mai ușoară b.

Setul de particule și nuclee care intră într-o reacție (în fig A + A) sunt numite intrare canalul unei reacții nucleare și reacția rezultată - sfârșit de săptămână canale. Dacă energia cinetică a particulei incidente A este mic, apoi se formează două particule: particula în sine și nucleul.

Răspândirea elastică și inelastică sunt cazuri speciale de interacțiune nucleară, atunci când produsele de reacție coincid cu cele inițiale.

Clasificarea reacțiilor nucleare

După tipul de particule care provoacă reacția
1. reacții ale particulelor încărcate
2. reacții neutronice
3. reacții sub influență γ - quanta - reacții fotonucleare

Legile conservării în reacțiile nucleare

Vă puteți gândi la o mare varietate de canale de ieșire pentru orice reacție. Cu toate acestea, cele mai multe dintre ele se vor dovedi a fi imposibile. Legile conservării ajută la alegerea reacțiilor care sunt fezabile în practică:

Ultimele două sunt adevărate pentru interacțiuni puternice. O serie întreagă de legi se manifestă în reacțiile nucleare, sunt esențiale pentru reacțiile cu particule elementare, le vom numi în altă parte.

Setul de legi de conservare face posibilă selectarea posibilelor canale de reacție de ieșire și obținerea de informații importante despre proprietățile particulelor care interacționează și a produselor de reacție.

Reacții nucleare directe

Într-o reacție directă, o particulă are timp să se ciocnească cu unul (mai rar cu doi - trei) nucleoni. Aceste reacții se desfășoară foarte repede - în timpul zborului unei particule prin nucleu (10 -22 - 10 -21 s). Luați în considerare, de exemplu, reacțiile (n, p). Momentul neutronului este transferat în principal către un nucleon, care părăsește imediat nucleul, fără a avea timp să facă schimb de energie cu restul nucleonilor. Prin urmare, nucleonii ar trebui să fie expulzați din nucleu în principal în direcția înainte. Energia nucleonului expulzat ar trebui să fie aproape de energia proiectilului.

Energia cinetică a particulei incidente trebuie să fie suficient de mare (imaginați-vă un perete format din cuburi. Dacă loviți unul dintre ele brusc, îl puteți bate, aproape fără a afecta restul. Cu un impact lent, peretele se va destrăma. )

La energii mici, poate apărea o reacție dărâma(d, p). Deuteronul este polarizat pe măsură ce se apropie de nucleu, neutronul este captat de nucleu, iar protonul continuă să se miște. Pentru un astfel de proces, interacțiunea trebuie să aibă loc la marginea nucleului. Într-un deuteron, un proton și un neutron sunt slab legați.

Astfel, trăsăturile distinctive ale reacțiilor directe sunt:
1. timp de curgere ~ 10 -21 s;
2. distribuția unghiulară a produselor este alungită în direcția de mișcare a particulei incidente;
3. o contribuție deosebit de mare la secțiunea transversală a proceselor nucleare la energii mari.

Fig. 2 Schema reacției exoterme

Schema energetică a unei reacții nucleare

Să prezentăm o reacție nucleară sub forma unei diagrame energetice (Fig. 2). Partea stângă a figurii se referă la prima etapă - formarea unui nucleu compus, dreapta - descompunerea acestui nucleu. T "a- o parte din energia cinetică a particulei incidente care a intrat în excitația nucleului, ε a- energia de legare a particulelor Aîn nucleul compus, ε b- energia de legare a particulelor bîn același nucleu.

Există o contradicție aparentă: nucleul C este un sistem mecanic cuantic cu niveluri discrete de energie, iar energia de excitație, așa cum se vede din (1), este o cantitate continuă (energie T a poate fi oricare). Următoarea secțiune vă va ajuta să vă ocupați de acest lucru.

Secțiunea transversală a unei reacții nucleare care trece printr-un nucleu compus

Fig. 3 Estomparea energiei la nivelul stării excitate

Deoarece există două etape independente în cursul reacției, secțiunea transversală poate fi reprezentată ca produsul secțiunii transversale pentru formarea unui nucleu compus starea σ iar probabilitatea decăderii sale de eu-al canalul f i

Nucleul atomic este un sistem cuantic. Deoarece fiecare dintre nivelurile excitate ale spectrului are o durată medie de viață finită τ , lățimea nivelului Γ este, de asemenea, finit (Fig. 3) și este legat de durata medie de viață printr-o relație care este o consecință a relației de incertitudine pentru energie și timp Δt ΔE ≥ ћ:

Să luăm în considerare cazul când nivelurile de energie ale nucleului compus sunt separate (lățimile nivelurilor Γ distanță mai mică între ele ΔE). Când energia de excitație coincide cu energia unuia dintre niveluri E 0 secțiunea transversală a reacției (a, b) va avea un maxim rezonant. În mecanica cuantică, s-a dovedit că secțiunea transversală pentru formarea unui nucleu compus este descrisă prin formula Breit-Wigner

(6)

Unde λ a este lungimea de undă a de Broglie a particulei incidente, Γ - lățimea completă a nivelului, Γ a- lățimea nivelului în raport cu împrăștierea elastică (lățime parțială, parțială).

Să ne dăm seama de lățimile nivelului. Probabilitatea de descompunere a unui nucleu compus f i invers proporțională cu durata de viață τ i cu privire la această decădere. Și timpul vieții τ i la rândul său, conform (5), este invers proporțional cu lățimea Γ i, numit parțial (parțial). Ca urmare, probabilitățile f i proporțional cu lățimile Γ i, și pot fi reprezentate

Fig. 4 Secțiunea transversală a formării unui nucleu compus

Sumă Σf i = 1, A ΣΓ i = Γ... Lățimile parțiale sunt mai convenabile de tratat decât probabilitățile.

Lățime de nivel complet Γ depinde slab de viteza particulei incidente v a, A Γ a proporțional cu această viteză. Lungimea de undă a lui De Broglie este invers proporțională cu viteza v a... Prin urmare, departe de rezonanță la viteze mici, secțiunea transversală crește ca 1 / v a(Vă puteți explica acest lucru prin faptul că o particulă lentă petrece mai mult timp la nucleu, iar probabilitatea captării acesteia crește). La E ~ E 0 secțiunea transversală de captură crește brusc (Fig. 4). În formula (6) E este energia cinetică a particulei incidente și E 0 este energia nivelului nucleului compus, măsurată din energia legăturii: nivel de energie = ε a + E 0.

Reacții nucleare conduse de neutroni

Principalele reacții sub acțiunea neutronilor nerelativisti sunt prezentate în diagramă (Fig. 5). Acolo și în cele ce urmează vom indica prin scrisoare A nucleul numărului de masă A.

Să le luăm în considerare în ordine.

Răspândirea elastică

Neutronii din reacțiile nucleare cu particule încărcate și din fisiunea nucleară se nasc repede ( T n de ordinul mai multor MeV), dar sunt absorbite, de regulă, încet. Decelerarea are loc datorită coliziunilor elastice multiple cu nucleii atomici.

Există două posibilități: devierea unui neutron de către câmpul nuclear fără captare - împrăștierea potențială, iar emisia unui neutron dintr-un nucleu compus este împrăștiere rezonantă... Deci secțiunea transversală este suma σ control = σ sudoare + σ res.

Fig. 6 Secțiunea transversală a împrăștierii elastice a neutronilor de către nucleii de uraniu

Apoi, conform (1), împrăștierea va avea loc cu impuls unghiular zero ( L = 0, s- împrăștiere). Distribuția unghiulară a neutronilor împrăștiați în centrul de masă este izotropă. De fapt, aceste energii „mici” nu sunt atât de mici: în hidrogen ~ 10 MeV, în plumb ~ 0,4 MeV. Secțiunea transversală potențială de împrăștiere în acest caz nu depinde de energia neutronică și este egală cu

În secțiunea transversală a împrăștierii rezonante

lăţime Γ n este direct proporțională cu viteza și lungimea de undă de Broglie λ este invers proporțional cu acesta. Prin urmare, în funcție de energie, avem doar un vârf de rezonanță la E = E 0... Ca rezultat, pentru dependența energetică a secțiunii transversale pentru împrăștierea elastică a neutronilor, avem un piedestal cu vârfuri de rezonanță (Fig. 6).

Răspândirea inelastică

Nucleul dispersor se află într-o stare excitată: n + A => (A + 1) * => A * + n... Evident, reacția are prag caracter: energia neutronului incident trebuie să fie suficientă pentru a transfera nucleul țintă într-o stare excitată. Studierea spectrelor neutronilor și însoțirea lor γ - radiații, primesc informații despre structura nivelurilor de energie ale nucleului.

Câteva cuvinte despre cum poți măsurați secțiunea transversală de împrăștiere inelastică... Când energia cinetică a neutronilor este mai mare de aproximativ 1 MeV,

principalele procese vor fi împrăștierea elastică și inelastică σ = σ control + σ necontrolat... Să la distanță L din sursă S detector plasat D(fig. 7). Să înconjurăm sursa cu o sferă de rază Rși grosimea peretelui d... Dacă împrăștierea elastic pur, se poate arăta că atenuarea de-a lungul liniei care leagă sursa și detectorul este compensată prin împrăștierea de către sferă către detector din alte direcții. Dacă se observă o scădere a citirilor detectorului, atunci se datorează împrăștierii inelastice

Aici N este concentrația de nuclee în țintă. Mai multe măsurători cu grosimi diferite vă permit să găsiți secțiunea transversală σ necontrolat.

Captarea radiațiilor

Captarea radiativă - captarea unui neutron, formarea unui nucleu compus într-o stare excitată și tranziția ulterioară la sol cu ​​emisie de radiații γ n + (A, Z) => (A + 1, Z) * ​​=> (A + 1, Z) + γ... Energia de excitație a nucleului compus (2) și, prin urmare, energia totală a γ quanta, depășește energia de legare a neutronului din nucleu, adică 7 - 8 MeV.

Cum se manifestă captarea radiațiilor?
• emisia de γ-cuante;
• în radioactivitatea (emisia de β-particule) a nucleului format (A + 1, Z)(foarte des nucleul (A + 1, Z) instabil);
• în slăbirea fluxului de neutroni N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - secțiunea transversală a captării radiațiilor; d- grosimea țintei).

Fig.10 Secțiunea transversală a captării radiațiilor de către nucleii de indiu.

La energii neutronice scăzute, efectele de rezonanță și secțiunea transversală de captare radiativă sunt foarte puternice

Pentru neutroni lent Γ = Γ n + Γ γși Γ γ ≈ const ~ 0,1 eV... Prin urmare, dependența secțiunii transversale pentru captarea radiativă de energie repetă dependența secțiunii transversale pentru formarea unui nucleu compus. Observați valoarea foarte mare a secțiunii transversale de captare pentru indiu (Fig. 10) la o energie neutronică de 1,46 eV. Este cu 4 ordine de mărime mai mari decât secțiunea transversală geometrică a nucleului. Indiul este inclus în compușii cu cadmiu pentru utilizare ca materiale absorbante în reactoare.

După cum sa menționat, nucleul (A + 1, Z) rezultat din captarea neutronilor este foarte adesea radioactiv, cu un timp de înjumătățire scurt. Radiațiile radioactive și dezintegrarea radioactivă sunt bine cunoscute pentru fiecare element. Din 1936, radioactivitatea indusă de neutroni a fost utilizată pentru identificarea elementelor. Metoda a fost denumită "analiza activării"... Este suficientă o probă de aproximativ 50 mg. Analiza activării poate detecta până la 74 de elemente și este utilizată pentru a determina impuritățile din materialele ultrapure (în industria de construcție a reactoarelor și industria electronică), conținutul de oligoelemente în obiecte biologice în cercetările de mediu și medicale, precum și în arheologie și criminalistică. Analiza activării este, de asemenea, utilizată cu succes în căutarea mineralelor, pentru a controla procesele tehnologice și calitatea produselor.

Fisiunea nucleară este un fenomen în care un nucleu greu este împărțit în două fragmente inegale (foarte rar în trei). A fost descoperit în 1939 de radiochimiștii germani Hahn și Strassmann, care au dovedit că iradierea uraniului cu neutroni produce un element din mijlocul sistemului periodic de bariu 56 Ba.

La câteva zile după știrea acestui fapt, fizicianul italian E. Fermi (care se mutase în SUA) a organizat un experiment pentru a observa fragmente de fisiune. Sarea de uraniu a fost depusă pe partea interioară a plăcilor camerei de ionizare pulsată (Fig. 11). Când o particulă încărcată intră în volumul camerei, la ieșire avem un impuls electric, a cărui amplitudine este proporțională cu energia particulei. Uraniul este radioactiv, particulele α dau numeroase impulsuri de mică amplitudine. Când camera a fost iradiată cu neutroni, au fost detectate impulsuri de amplitudine mare cauzate de fragmente de fisiune. Fragmentele au o încărcare mare și o energie de ~ 100 MeV. Cu câteva zile mai devreme, Otto Frisch observase resturile din camera lui Wilson.

Distinge
• divizare forțată- fisiune sub acțiunea unei particule incidente (cel mai adesea un neutron)

  De obicei, energia cinetică a particulei incidente Ta este mică și reacția se desfășoară printr-un nucleu compus: a + A => C * => B 1 + B 2

• diviziune spontană (spontană)... Descoperită de fizicienii sovietici Flerov și Petrzhak în 1940. Uraniul 235 U este fisionabil cu un timp de înjumătățire de aproximativ 2 * 10 17 ani. Există 10 8 α-dezintegrări pe fisiune, iar acest fenomen este extrem de dificil de detectat.

Teoria elementară a fisiunii

Să aflăm condițiile de bază pentru posibilitatea fisiunii folosind modelul drop.

Energia fisiunii

Luați în considerare fisiunea unui nucleu Cîn două bucăți C => B 1 + B 2... Energia va fi eliberată dacă energiile de legare ale nucleului și ale fragmentelor sunt legate de raport

G osc = G C - G 1 - G 2 Pe baza modelului drop, aflăm la ce numere de masă A Cși numerele de serie Z C condiția (7) este îndeplinită.

(8)

Să substituim aceste expresii în (7), luând în același timp un fragment mai mic Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A C iar pentru cei mai grei Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

Primul și al patrulea termen din (8) se vor anula, din moment ce sunt liniare în raport cu Ași Z.

Primii doi termeni din (9) sunt schimbarea energiei de tensiune superficială ΔW pov, iar ultimele două sunt schimbarea energiei Coulomb ΔW cool... Inegalitatea (7) arată acum așa

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

Dacă Z 2 / A> 17 apoi se eliberează energie. Atitudine Z 2 / A sunt numite parametru de diviziune.

Condiție Z 2 / A> 17 se efectuează pentru toate nucleele, începând cu argintul 47 108 Ag... Va deveni clar mai jos de ce uraniul scump este folosit ca combustibil în reactoare și nu materiale mai ieftine.

Mecanism de diviziune

Condiție Z 2 / A> 17 se efectuează pentru toate elementele din a doua jumătate a tabelului periodic. Cu toate acestea, experiența arată că doar nucleele foarte grele sunt împărțite. Ce s-a întâmplat? Să ne amintim α -descompunere. De foarte multe ori este benefic din punct de vedere energetic, dar nu se întâmplă, deoarece previne bariera Coulomb. Să vedem cum stau lucrurile în cazul diviziunii. Posibilitatea fisiunii depinde de valoarea sumei energiei de suprafață și Coulomb ale nucleului și fragmentelor inițiale. Să vedem cum se schimbă aceste energii la deformarea nucleului - o creștere a parametru de diviziune ρ .

Energia tensiunii superficiale W pov crește, atunci când fragmentele iau o formă sferică, rămâne constantă. Energia Coulomb W cool scade doar, încet la început și apoi ca 1 / ρ... Suma lor la Z 2 / A> 17și Z 2 / A se comportă așa cum se arată în Figura 13. Există o barieră potențială cu o înălțime B fîmpiedicând divizarea. Fisiunea spontană poate apărea din cauza fenomenului de scurgere mecanică cuantică (efectul tunelului), dar probabilitatea este extrem de mică, astfel încât timpul de înjumătățire, așa cum am menționat mai sus, este foarte mare.

Dacă Z 2 / A> 49, apoi înălțimea barierei B f = 0, și fisiunea unui astfel de nucleu are loc instantaneu (într-un timp nuclear de ordinul 10 -23 cu).

Pentru fisiunea unui nucleu, este necesar să i se dea o energie mai mare decât B f... Acest lucru este posibil prin captarea unui neutron. În acest caz, formula (2) va arăta ca.

(11)

Aici ε n- energia de legare a neutronului din nucleu, obținută în timpul captării acestuia; T n este energia cinetică a neutronului incident.

Să rezumăm considerarea interacțiunii neutronilor.

Reacții nucleare sub influența particulelor încărcate

Spre deosebire de neutroni, atunci când se iau în considerare coliziunile particulelor încărcate cu un nucleu, este necesar să se ia în considerare prezența unui Coulomb

barieră. Interacțiunea unui neutron cu un nucleu este caracterizată printr-un potențial profund (30 - 40 MeV) cu o rază R i(Figura 14a). Un neutron care se apropie de nucleu are o atracție puternică. În cazul interacțiunii particulelor încărcate cu un nucleu, curba potențială are forma din Fig. 14b. Când ne apropiem de nucleu, mai întâi avem repulsia Coulomb (forțe cu rază lungă de acțiune) și la o distanță de ordinul R i intră în joc o puternică atracție nucleară. Înălțimea barierei Coulomb B cool aproximativ egală

De exemplu, pentru protonii care se ciocnesc cu un nucleu de oxigen, înălțimea barierei va fi de 3,5 MeV, iar cu uraniu, 15 MeV. Pentru α -particule, înălțimea barierelor este de 2 ori mai mare. Dacă energia cinetică a particulei T, există posibilitatea ca particula să intre în nucleu din cauza efectului de tunelare. Dar transparența barierei este extrem de redusă, iar împrăștierea elastică este cel mai probabil să apară. Din același motiv, este dificil ca o particulă încărcată să părăsească nucleul. Să ne amintim α -descompunere.

Dependența secțiunii transversale pentru o reacție nucleară pentru particulele încărcate are un caracter de prag. Dar vârfurile de rezonanță sunt slab exprimate sau complet absente, deoarece la energiile ~ MeV, densitatea nivelurilor nucleare este mare și se suprapun.

În viitor, mari speranțe sunt asociate cu reacțiile de fuziune termonucleare de acest tip 2 H + 2 H => 3 He + p sau 2 H + 3 H => 4 He + n, care se disting printr-o eliberare foarte mare de energie. Un obstacol pentru astfel de reacții este bariera Coulomb. Este necesar să încălziți substanța la astfel de temperaturi încât energia particulelor kT lasă-i să reacționeze. Temperatura 1.16 10 7 corespunde 1 keV. Pentru a obține o reacție de „plasmă” auto-susținută, trebuie îndeplinite trei condiții:

plasma trebuie încălzită la temperaturile solicitate,

densitatea plasmei trebuie să fie suficient de mare

temperatura și densitatea trebuie menținute pe o perioadă lungă de timp.

Și aici există probleme continue: confinarea plasmei în capcanele magnetice, crearea de materiale pentru reactor care ar rezista la iradierea puternică a neutronilor etc. Încă nu este clar cât de rentabilă poate fi producția de energie electrică utilizând fuziunea termonucleară. S-au înregistrat progrese continue în cercetare.

Pierderea maximă de energie (minim E "n) va fi la θ = π : E "min = αE(pentru hidrogen E "min = 0).

La energii mici (a se vedea (1)), împrăștierea este izotropă, toate valorile unghiurilor θ sunt la fel de probabile. Deoarece între unghiul de împrăștiere θ și energia neutronului împrăștiat E "n relația este neechivocă (12), distribuția neutronilor în energie după o singură împrăștiere va fi uniformă (Fig. 15). Poate fi reprezentată ca formulă

(13)

Pierderea medie de energie logaritmică. Abilitatea de decelerare. Factorul de decelerare

Să vedem cum un număr mare de coliziuni vor afecta energia neutronilor. În acest caz, este convenabil să nu folosiți scala energetică, ci scala logaritmică ε = lnE: am văzut (vezi (12)) că E "/ E nu depinde de E, adică în medie, procentul pierderilor de energie este același. Pe scara energetică, schimbarea energiei arată astfel

Acestea. exact lnE, dar nu E modificări cu o sumă mai mult sau mai puțin fixă.

Energia medie a neutronilor după coliziune

Pierderea medie de energie

Pierderea medie de energie logaritmică

ξ nu depinde de E... Mișcarea axei lnE uniformă. Puteți calcula numărul mediu de coliziuni n a încetini din Începe până la finală E con:

(14)

Tabelul de mai jos prezintă valorile ξ și n pentru un număr de nuclei cu moderare neutronică de la 1 MeV energie la 0,025 eV termică.

				ξΣ s, 1 / cm	ξΣ s / Σ a

Privind la a 4-a coloană, poate părea că hidrogenul încetinește mai bine decât altele. Dar trebuie să ținem cont și de frecvența coliziunilor. Pentru hidrogen gazos și lichid ξ = 1, dar este clar că calea luată în timpul decelerării va fi diferită. Coloana 5 arată pierderea logaritmică ξ ori rata de coliziune - capacitatea de întârziere... Și aici cel mai bun moderator este apa obișnuită. Dar un moderator bun ar trebui să absoarbă neutronii prost. În ultima coloană, a 6-a, pierderea logaritmică medie este înmulțită cu raportul dintre secțiunile transversale de dispersie și absorbție macroscopice. Comparând numerele, este clar de ce apa grea sau grafitul este utilizat ca moderator în reactoarele nucleare.

Timp mediu de decelerare

Să estimăm timpul necesar pentru ca un neutron să încetinească ca urmare a coliziunilor din energia inițială E 0 până la finală E to... Împărțim axa energetică în segmente mici ΔE... Coliziuni pe segment ΔE aproape E

Lungimea drumului liber λ s determinată de secțiunea transversală pentru împrăștierea elastică σ sși concentrația nucleilor moderatori N

, (15)

Unde Σ s este o cantitate numită secțiune macroscopică... Timpul necesar pentru a încetini ΔE, este definit ca produsul intervalului de timp și trecerea căii libere de numărul de coliziuni de ΔE

Trecând la cantități infinitezimale și integrându-ne, obținem timpul de decelerare t

De exemplu, pentru beriliu la E 0= 2 MeV, E to= 0,025 eV, λ s= 1,15 cm, ξ = 0,21 obținem ~ 3,4 · 10 -5 s. Rețineți că, în primul rând, această valoare este mult mai mică decât timpul de înjumătățire al unui neutron liber (~ 600 s) și, în al doilea rând, este determinat de mișcare lângă o energie finită.

Distribuția spațială a neutronilor

Lăsați mediul să aibă o sursă izotropă punctuală de neutroni rapidi cu energia inițială E 0... Distanţă L deputat, prin care, în medie, neutronii sunt îndepărtați în timpul decelerării la E to se numește lungimea decelerării... Drumul real parcurs de neutron este mult mai mare, deoarece traiectoria mișcării este o linie întreruptă de segmente de lungime λ s... Cantitatea L deputat este determinată de parametrii mediului de moderare, de energia inițială și finală a neutronului:

Pentru apa grea cu o decelerare de la 2 MeV la 0,025 eV termică L deputat~ 11 cm, pentru grafit ~ 20 cm.

Ca rezultat al decelerării într-un volum cu o rază de ordinul lungimii decelerării, sunt produși neutroni termici cu distribuție de energie maxwelliană. Neutronii termici încep să se difuzeze (se mișcă haotic), răspândindu-se prin substanță în toate direcțiile de la sursă. Acest proces este descris prin ecuația difuziei luând în considerare absorbția neutronilor

(16)

În această ecuație Φ - fluxul de neutroni (numărul de neutroni care traversează o unitate de suprafață pe unitate de timp), Σ sși Σ a sunt dispersia macroscopică (a se vedea (15)) și secțiunile transversale de absorbție, respectiv, D- coeficient de difuzie, S- sursa de neutroni. În această ecuație, primul termen descrie mișcarea neutronilor în materie, al doilea - absorbția și a treia naștere.

Principala caracteristică a mediului care descrie procesul de difuzie este lungimea difuziei L dif

Lungimea difuziei caracterizează îndepărtarea medie a unui neutron de la sursă înainte de absorbție. Pentru apă grea L dif~ 160 cm, pentru grafit ~ 50 cm. Apa obișnuită absoarbe puternic neutronii și L dif doar 2,7 cm. Cât de sinuos și de lung este calea neutronului în timpul difuziei poate fi evaluată comparând lungimea difuziei (în grafit 50 cm) cu lungimea medie a căii neutronului înainte de absorbție λ a = 1 / Σ a(în același grafit 3300 cm).

În practică, se ocupă adesea de tranziția neutronilor de la un mediu la altul. De exemplu, miezul reactorului este înconjurat de un reflector. Coeficientul de reflexie β - fracția de neutroni care se întorc în mediul sursă din mediul fără surse. Aproximativ, β ≈ 1 - 4 D / L dif unde parametrii se referă la un mediu fără surse. De exemplu, dintr-un reflector de grafit β = 0,935, adică 93% din neutroni vor reveni. Grafitul este un reflector excelent. Mai bine doar apă grea, unde β = 0.98!

Reacție în lanț într-un mediu care conține o substanță fisibilă

Avem un mediu omogen care conține materie fisibilă. Nu există surse străine de neutroni, ele pot apărea doar ca urmare a fisiunii nucleare. Vom presupune că toate procesele au loc la aceeași energie (așa-numitul aproximarea vitezei unice). Întrebarea este: este posibil să se facă o minge din această substanță, în care s-ar menține o reacție staționară în lanț?

Avem nevoie:

• secțiunea transversală de absorbție a neutronilor macroscopici Σ absorbit, care este alcătuit din secțiunea de prindere fără divizare Σ captură(captare radiații) și secțiuni transversale de fisiune Σ cazuri: Σ absorbit = Σ captură + Σ cazuri;
• numărul mediu de neutroni υ eliberat într-un act de diviziune.

Apoi ecuația fluxului de neutroni Φ în cazul staționar va arăta ca.

cu condiția de limită

,

ceea ce înseamnă că la o oarecare distanță d dintr-o minge fisibilă de rază R firul ar trebui să meargă la zero.

Dacă comparăm ecuația fluxului Φ cu (16), se poate vedea că sursa este cantitatea υΣ div Φ- numărul de neutroni produși pe unitate de volum pe unitate de timp.

Luați în considerare trei cazuri

υΣ div - se produc mai puțini neutroni decât absorbiți. Evident, o reacție staționară este imposibilă.

• υΣ div = Σ absor- sursa compensează absorbția neutronilor. Soluția la ecuația (17) oferă Φ = const doar pentru mediu nesfârșitîn caz contrar, datorită scurgerii de neutroni prin limita mediului, reacția se va amortiza.

  υΣ div> Σ absor- este posibil să alegeți o astfel de dimensiune a unei bile de materie fissilă, astfel încât surplusul de neutroni să scape prin limitele mingii (pentru a preveni o explozie nucleară).

Să introducem notația ω 2 = (Σ absorp - υΣ div) / D> 0... Ecuația (17) ia forma

(18)

A lui decizie comună se pare ca

(19)

Coeficient Bîn (19) trebuie setat egal cu zero, astfel încât soluția să nu divergă la r = 0... Găsirea soluției finale este complicată luând în considerare corect starea limită și pentru un amestec natural de izotopi de uraniu (235 U - 0,7%, 235 U - 99,3%, Σ absorbit= 0,357 1 / cm, Σ cazuri= 0,193 1 / cm, υ = 2.46) obținem ca valoare minimă a totalului R ≈ 5 vezi Cum diferă această sarcină de cea reală? De fapt, neutronii se nasc repede și trebuie încetiniți până la energii termice. Primul reactor, construit de E. Fermi (1942), avea dimensiuni de aproximativ 350 cm.

Reacție în lanț. Reactor nuclear

Se numesc dispozitive în care se obține energie datorită unei reacții staționale în lanț de fisiune atomic reactoare (de exemplu, se spune, o centrală nucleară, o centrală nucleară), deși de fapt este nuclear reactoare. Proiectarea reactoarelor nucleare este foarte complexă, dar un element esențial al oricărui reactor este nucleul în care are loc reacția de fisiune.

Miezul conține material fisibil, un moderator, tije de control (reglare), elemente structurale și este înconjurat de un reflector de neutroni pentru a reduce pierderile acestuia din urmă. Toate acestea se află în interiorul protecției împotriva fluxului de neutroni, γ - radiații.

Soarta neutronului din miez

captarea uraniului de către nucleu cu fisiunea ulterioară a acestui nucleu;

captarea uraniului de către nucleu cu trecerea ulterioară a nucleului la starea fundamentală cu emisia γ - quanta (captarea radiațiilor);

captarea nucleelor ​​moderatorilor sau a elementelor structurale;

plecare din nucleu;

absorbția de către tije de control.

Neutronii sunt emiși în timpul fisiunii nucleare, apoi sunt absorbiți sau părăsesc nucleul. Să denotăm prin k factor de multiplicare - raportul dintre numărul de neutroni din generația următoare n i + 1 la numărul din precedent n i

Dacă introducem viața unei generații τ , apoi ecuația numărului de neutroni n iar soluția lui ar arăta așa

(21)

Dacă coeficientul k este diferit de 1, atunci numărul de neutroni scade ( k) sau crește ( k> 1) exponențial, adică foarte rapid.

(Observați influența factorului de multiplicare kși viața unei generații τ asupra dinamicii numărului de neutroni printr-o experiență simplă)

Factorul de reproducere k poate fi reprezentat ca un produs al coeficientului k ∞ pentru mediu infinit și probabilitate nu părăsiți zona activă χ

Cantitatea χ depinde de compoziția miezului, dimensiunea, forma, materialul reflectorului.

Având în vedere un reactor care funcționează pe neutroni termici, coeficientul k ∞ poate fi reprezentat ca patru factori

Unde

ε este factorul rapid de multiplicare a neutronilor (pentru sistemele reale realizate din uraniu și grafit ε ~ 1.03);

p- probabilitatea de a evita captarea rezonanței în timpul decelerării. Amintiți-vă că neutronii sunt produși rapid și, atunci când încetinesc energia termică, trebuie să depășească regiunea de rezonanță în secțiunea transversală de absorbție (vezi Fig. 10);

f- fracția de neutroni absorbiți de nucleii de uraniu (nu elemente moderatoare sau structurale). ε p f ≈ 0,8;

η este numărul mediu de neutroni emisi pe un act de captare de către un nucleu de uraniu (în timpul captării, poate apărea fisiune nucleară sau γ -canturi). η ≈ 1,35(comparați cu ~ 2,5 pentru numărul de neutroni per eveniment de fisiune).

Din datele date rezultă k ∞ = 1,08și χ = 0,93, care corespunde dimensiunii reactorului de ordinul 5 - 10 m.

Masa critica- masa minimă de materie fisibilă la care poate apărea în ea o reacție de fisiune nucleară autosusținută. Dacă masa substanței este sub valoarea critică, atunci se pierd prea mulți neutroni necesari pentru reacția de fisiune, iar reacția în lanț nu are loc. Cu o masă mai mare decât cea critică, reacția în lanț se poate accelera ca o avalanșă, ceea ce va duce la o explozie nucleară.

Masa critică depinde de mărimea și forma eșantionului fissil, deoarece determină scurgerea de neutroni din eșantion prin suprafața sa. O probă sferică are masa critică minimă, deoarece suprafața sa este cea mai mică. Reflectoarele și moderatorii de neutroni care înconjoară materialul fissil pot reduce semnificativ masa critică. De asemenea depinde și masa critică compoziție chimică probă.

„Bunicul” reactoarelor nucleare domestice este primul reactor fizic F-1, care a primit statutul de monument al științei și tehnologiei. A fost lansat în 1946 sub conducerea I.V. Kurchatov. Grafit purificat sub formă de bare cu găuri pentru tije de uraniu a fost folosit ca moderator. Controlul a fost efectuat de tije care conțin cadmiu, care absoarbe puternic neutronii termici. Miezul cazanului conținea 400 de tone de grafit și 50 de tone de uraniu. Puterea reactorului era de aproximativ 100 W; nu exista un sistem special de eliminare a căldurii. În timpul funcționării, căldura a fost acumulată într-o masă mare de grafit. Apoi zidăria de grafit a fost răcită cu un flux de aer de la un ventilator. Acest reactor funcționează încă corect.

Ponderea energiei nucleare în producția globală de energie electrică a fost ani diferiți 10-20%. Cel mai mare procent (~ 74) de energie electrică este produs la centralele nucleare din Franța. În Rusia ~ 15%.

Cum arată procesul de pornire fizică a unui reactor atomic este arătat de un model de computer.

Dacă doriți să verificați modul în care a fost învățat materialul prelegerii,

Un rol important în dezvoltarea ideilor despre structura nucleelor ​​l-a avut studiul reacțiilor nucleare, care a furnizat informații ample despre rotirile și paritățile stărilor excitate ale nucleilor și a contribuit la dezvoltarea modelului de coajă. Studiul reacțiilor cu schimbul mai multor nucleoni între nucleele care se ciocnesc a făcut posibilă studierea dinamicii nucleare într-o stare cu momente unghiulare mari. Ca rezultat, s-au descoperit benzi lungi rotative, care au servit ca una dintre bazele pentru crearea unui model generalizat al nucleului. Când nucleele grele se ciocnesc, se formează nuclee care nu există în natură. Sinteza elementelor transuranice se bazează în mare parte pe fizica interacțiunii nucleelor ​​grele. În reacțiile cu ioni grei, se formează nuclee care sunt departe de banda de stabilitate β. Nucleii distanți de banda de stabilitate β diferă de nucleele stabile printr-un raport diferit între interacțiunile dintre Coulomb și nuclear, raportul dintre numărul de protoni și numărul de neutroni, o diferență semnificativă în energiile de legare ale protonilor și neutronilor, care se manifestă în noi tipuri de dezintegrare radioactivă - radioactivitatea protonilor și neutronilor și o serie de alte caracteristici specifice ale nucleilor atomici.
Când se analizează reacțiile nucleare, este necesar să se țină seama de natura undelor particulelor care interacționează cu nucleele. Caracterul de undă al procesului de interacțiune a particulelor cu nucleele se manifestă clar prin împrăștierea elastică. Astfel, pentru nucleonii cu o energie de 10 MeV, lungimea de undă de de Broglie redusă este mai mică decât raza nucleului, iar un tipar caracteristic de difracție maximă și minimă apare în timpul împrăștierii nucleonului. Pentru nucleoni cu o energie de 0,1 MeV, lungimea de undă este mai mare decât raza nucleului și nu există difracție. Pentru neutroni cu energie<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Reacțiile nucleare sunt o metodă eficientă pentru studierea dinamicii nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când două particule interacționează. Într-o reacție nucleară, există un schimb activ de energie și impuls între particule, în urma cărora se formează una sau mai multe particule, împrăștiate din regiunea de interacțiune. Ca urmare a unei reacții nucleare, are loc un proces complex de restructurare a nucleului atomic. Ca și în descrierea structurii nucleului, în descrierea reacțiilor nucleare este practic imposibil să se obțină o soluție exactă a problemei. Și la fel cum structura nucleului este descrisă prin diferite modele nucleare, cursul unei reacții nucleare este descris prin diferite mecanisme de reacție. Mecanismul unei reacții nucleare depinde de mai mulți factori - de tipul particulei incidente, de tipul nucleului țintă, de energia particulei incidente și de o serie de alți factori. Unul dintre cazurile limitative ale unei reacții nucleare este reacție nucleară directă... În acest caz, particula incidentă transferă energie la unul sau doi nucleoni ai nucleului și părăsesc nucleul fără a interacționa cu alți nucleoni ai nucleului. Timpul caracteristic al cursului unei reacții nucleare directe este de 10 -23 s. Reacțiile nucleare directe apar pe toate nucleele la orice energie a particulei incidente. Reacțiile nucleare directe sunt folosite pentru a studia stările cu particule unice ale nucleilor atomici, deoarece produsele de reacție poartă informații despre poziția nivelurilor de la care nucleonul este eliminat. Cu ajutorul reacțiilor nucleare directe, s-au obținut informații detaliate cu privire la energiile și ocuparea stărilor cu particule unice ale nucleelor, care au stat la baza modelului de coajă al nucleului. Un alt caz limitativ sunt reacțiile care trec formarea nucleului compus.

Descrierea mecanismului reacțiilor nucleare a fost dată în lucrările lui W. Weisskopf.

V. Weisskopf: „Ce se întâmplă atunci când o particulă intră în nucleu și se ciocnește cu unul dintre constituenții nucleari? Figura ilustrează unele dintre aceste posibilități.
1) Particula care cade își pierde o parte din energie, ridicând particula nucleară la o stare superioară. Acesta va fi rezultatul împrăștierii inelastice dacă particula incidentă este lăsată cu suficientă energie pentru a părăsi din nou miezul. Acest proces se numește împrăștiere inelastică directă, deoarece implică împrăștierea pe o singură parte constitutivă a nucleului.
2) Particula care cade transferă energie la mișcarea colectivă, așa cum este prezentată simbolic în a doua diagramă a figurii, aceasta este, de asemenea, o interacțiune directă.
3) În a treia schemă a figurii, energia transferată este suficient de mare pentru a scoate un nucleon din țintă. Acest proces contribuie, de asemenea, la o reacție nucleară directă. În principiu, nu diferă de 1), corespunde „reacției de schimb”.
4) Particula care cade poate pierde atât de multă energie încât rămâne legată în interiorul nucleului, energia transferată poate fi primită de nucleonul de jos în așa fel încât să nu poată părăsi nucleul. Apoi obținem un nucleu excitat, care nu poate emite un nucleon. Această stare conduce în mod necesar la o excitare suplimentară a nucleonilor prin coliziuni interne, în care energia per particulă excitată scade în medie, astfel încât în ​​majoritatea cazurilor un nucleon nu poate părăsi nucleul. În consecință, se va ajunge la o stare cu o durată de viață foarte lungă, care se poate descompune numai dacă o particulă, în coliziuni în interiorul nucleului, capătă din greșeală suficientă energie pentru a părăsi nucleul. Numim această situație formarea unui nucleu compus. Energia poate fi pierdută și prin radiație, după care emisia unei particule devine imposibilă din punct de vedere energetic: nucleonul incident va experimenta captarea radiației.
5) Formarea unui nucleu compus poate fi efectuată în două sau mai multe etape, dacă după un proces de tip 1) sau 2) un nucleon incident lovește un alt nucleon în drum și îl excită în așa fel încât să scape din nucleu este imposibil pentru orice nucleon.

Pentru prima dată, ideea progresului unei reacții nucleare prin etapa unui nucleu compus a fost exprimată de N. Bohr. Conform modelului de nucleu compus, o particulă incidentă, după ce interacționează cu unul sau doi nucleoni ai nucleului, transferă către nucleu cea mai mare parte a energiei sale și este captată de nucleu. Durata de viață a unui nucleu compus este mult mai lungă decât timpul de zbor al unei particule incidente prin nucleu. Energia introdusă de particula incidentă în nucleu este redistribuită între nucleonii nucleului până când o parte semnificativă a acestuia este concentrată pe o particulă și apoi zboară din nucleu. Formarea unei stări excitate de lungă durată poate duce, ca urmare a deformării, la divizarea sa.

N. Bor: „Fenomenul captării neutronilor ne obligă să presupunem că o coliziune între un neutron rapid și un nucleu greu ar trebui să conducă, în primul rând, la formarea unui sistem complex caracterizat printr-o stabilitate remarcabilă. Posibila decădere ulterioară a acestui sistem intermediar cu evadarea unei particule materiale sau trecerea la starea finală cu emisia unei cuantice de energie radiantă ar trebui considerate ca procese independente care nu sunt direct legate de prima fază a coliziunii. Ne întâlnim aici cu o diferență semnificativă, nerecunoscută anterior, între reacțiile nucleare reale - coliziuni obișnuite de particule rapide și sisteme atomice - coliziuni, care până acum au fost pentru noi principala sursă de informații cu privire la structura atomului. Într-adevăr, posibilitatea numărării particulelor atomice individuale prin intermediul unor astfel de coliziuni și studiul proprietăților lor se datorează, în primul rând, „deschiderii” sistemelor luate în considerare, ceea ce face foarte puțin probabil schimbul de energie între particulele constitutive individuale. în cursul impactului. Cu toate acestea, datorită strângerii strânse de particule în nucleu, trebuie să fim pregătiți pentru faptul că acest schimb de energie joacă rolul principal în reacțiile nucleare tipice. "

Clasificarea reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare sunt un mijloc eficient de a studia structura nucleelor ​​atomice. Dacă lungimea de undă a particulei incidente este mai mare decât dimensiunea nucleului, atunci în astfel de experimente se obțin informații despre nucleul în ansamblu. Dacă dimensiunea nucleului este mai mică, atunci sunt extrase informații despre distribuția densității materiei nucleare, structura suprafeței nucleului, corelația dintre nucleoni din nucleu și distribuția nucleonilor peste cochiliile nucleare. secțiunile transversale ale reacției.

• Excitația Coulomb a nucleelor ​​sub acțiunea particulelor încărcate de masă relativ mare (protoni, α-particule și ioni grei de carbon, azot) este utilizată pentru a studia nivelurile de rotație joase ale nucleelor ​​grele.
• Reacțiile cu ioni grei asupra nucleelor ​​grele, care duc la fuziunea nucleilor care se ciocnesc, sunt principala metodă de producere a nucleilor atomici supraîncărcați.
• Reacții de fuziune ale nucleelor ​​de lumină la energii de coliziune relativ reduse (așa-numitele reacții termonucleare). Aceste reacții se datorează tunelurilor mecanice cuantice prin bariera Coulomb. Reacțiile termonucleare au loc în interiorul stelelor la temperaturi de 10 7 –10 10 K și sunt principala sursă de energie pentru stele.
• Reacțiile fotonucleare și electronucleare apar atunci când se ciocnesc cu nuclei de γ-cuante și electroni cu energii E> 10 MeV.
• Reacții de fisiune ale nucleelor ​​grele, însoțite de o restructurare profundă a nucleului.
• Reacțiile asupra fasciculelor de nuclee radioactive deschid posibilitatea obținerii și studierii nucleelor ​​cu un raport neobișnuit al numărului de protoni și neutroni, departe de linia de stabilitate.

Reacțiile nucleare sunt de obicei clasificate în funcție de tipul și energia particulelor incidente, tipul de nuclee țintă și energia particulelor incidente.

Reacții lente de neutroni

„În 1934, într-o dimineață, Bruno Pontecorvo și Eduardo Amaldi testau unele metale pentru radioactivitate. Aceste probe aveau forma unor cilindri mici, goi, de aceeași dimensiune, în interiorul cărora putea fi plasată o sursă de neutroni. Pentru a iradia un astfel de cilindru, o sursă de neutroni a fost introdusă în el și apoi totul a fost plasat într-o cutie de plumb. În această importantă dimineață, Amaldi și Pontecorvo au efectuat experimente cu argint. Și dintr-o dată Pontecorvo a observat că se întâmplă ceva ciudat cilindrului de argint: activitatea sa nu a fost întotdeauna aceeași, s-a schimbat în funcție de locul în care a fost plasat, în mijloc sau în colțul cutiei de plumb. În totală nedumerire, Amaldi și Pontecorvo au mers să raporteze acest miracol Fermi și Rasetti. Franke era înclinat să atribuie aceste ciudățenii unor erori statistice sau unor măsurători inexacte. Și Enrico, care credea că fiecare fenomen necesită verificare, le-a sugerat să încerce să iradieze acest cilindru de argint în afara cutiei de plumb și să vadă ce se întâmplă. Și apoi au apărut minuni absolut incredibile pentru ei. S-a dovedit că obiectele din vecinătatea cilindrului sunt capabile să îi afecteze activitatea. Dacă cilindrul a fost iradiat în timp ce stătea pe o masă de lemn, activitatea sa a fost mai mare decât atunci când a fost așezat pe o placă de metal. Acum întregul grup era interesat de acest lucru și toată lumea a participat la experimente. Au plasat sursa de neutroni în afara cilindrului și au plasat diferite obiecte între acesta și cilindru. Placa de plumb a crescut ușor activitatea. Conduce−substanța este grea. „Ei bine, să încercăm ușor acum!−sugerat de Fermi.−Să spunem parafină ". În dimineața zilei de 22 octombrie, experimentul a fost realizat cu parafină.
Au luat o bucată mare de parafină, au scobit o gaură în ea și au așezat o sursă de neutroni în interior, au iradiat un cilindru de argint și l-au adus la un contor Geiger. Tejgheaua, de parcă ar fi căzut de pe lanț, a făcut doar un clic. Întreaga clădire a tunat cu exclamații: „Incredibil! De neimaginat! Magie neagră!" Parafina a crescut radioactivitatea artificială a argintului de o sută de ori.
La prânz, un grup de fizicieni s-a dus fără tragere de inimă la pauza de masă, care de obicei dura două ore ... Enrico a profitat de singurătatea sa, iar când s-a întors la laborator, avea deja o teorie care explica efectul ciudat al parafinei. "