19139

Определение ядерной реакции. Элементарные частицы. Особенности ядерных реакций с нейтронами. Классификация нейтронов по энергии

Лекция

Энергетика

Лекция 4. Определение ядерной реакции. Элементарные частицы. Особенности ядерных реакций с нейтронами. Классификация нейтронов по энергии. Сечение ядерной реакции. Микроскопическое и макроскопическое нейтронные сечения. 4.1. Определение ядерной реакции. Ядерная ре

Русский

2013-07-11

150 KB

14 чел.

Лекция 4.

Определение ядерной реакции. Элементарные частицы. Особенности ядерных реакций с нейтронами. Классификация нейтронов по энергии. Сечение ядерной реакции. Микроскопическое и макроскопическое нейтронные сечения.

4.1. Определение ядерной реакции.

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом, часто приводящий к выделению колоссального количества энергии. Спонтанные (происходящие без воздействия налетающих частиц) процессы в ядрах — например, радиоактивный распад — обычно не относят к ядерным реакциям. Для осуществления реакции между двумя или несколькими частицами необходимо, чтобы взаимодействующие частицы (ядра) сблизились на расстояние порядка 10−13 см, то есть характерного радиуса действия ядерных сил. Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа, экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии звёзд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра масс) выше определённой величины (порога реакции). Исходные частицы и ядра в результате ядерных реакций превращаются в продукты реакции.

4.2. Элементарные частицы

По первоначальному смыслу понятие "элементарный" означает простейший, не имеющий внутренней структуры, неделимый. По мере углубления наших знаний о природе материи многие объекты микромира, ранее считавшиеся элементарными, потеряли право так называться.

Известным примером такого рода является атом (по-гречески "неделимый"). Атомы, отвечающие определенным хим. элементам, как известно, состоят из электронов и атомных ядер. Физические исследования показали, что ядра тоже составные частицы, они построены из протонов и нейтронов. Следовательно, ни ядра, ни тем более атомы не являются. Электроны, а также протоны и нейтроны часто называются элементарными частицами, хотя протоны и нейтроны, как установлено, состоят из кварков. На современном уровне знаний у электронов и других лептонов (см. ниже), а также у кварков внутренняя. структура не обнаружена, хотя и существуют теоретические модели, согласно которым и лептоны, и кварки построены из более фундаментальных кирпичиков мироздания - преонов (этот термин, впрочем, пока не является общепринятым).

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что совокупности этих частиц и кванта электромагнитного поля фотона достаточно для построения известных форм вещества (атомов и молекул). Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле осуществляло взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком зарядов (см. ниже); для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным выше четырем (или с учетом античастиц - семи) частицам прибавилось еще свыше 300 частиц. Можно считать установленным, что большинство этих частиц построено из кварков, число которых равно 6 (или 12 с учетом антикварков).

Еще одним важнейшим достижением физики микромира стало открытие, что элементарным частицам присуще не только электромагнитное взаимодействие. С изучением строения атомных ядер выяснилось, что силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, не являются электромагнитными. Характерное для нуклонов (протонов и нейтронов в ядре) взаимодействие получило название сильного или ядерного. Оно оказалось короткодействующим - на расстояниях r, превышающих 10-13 см, сильное взаимодействие пренебрежимо мало. Однако при r < 10-13 см его величина существенно (в 10-100 раз) превосходит электромагнитное, что отражено в его названии. Открытие нестабильности нейтрона и некоторых атомных ядер указало на существование еще одного типа взаимодействия, названного слабым. Тремя перечисленными выше типами взаимодействий, а также гравитационным взаимодействием исчерпываются известные типы фундаментальных физических взаимодействий. Существует точка зрения, что все 4 (или хотя бы 3) типа взаимодействий представляют собой явления одной природы и должны описываться единым образом. Классификация элементарных частиц приведена в таблице 4.1.

Кроме частиц, приведенных в таблице 4.1, имеется большое число короткоживущих частиц, т.н. резонансов, обладающих временем жизни ~ 10-20-10-24 с. Для приведенных частиц в таблице частиц не указаны их античастицы, имеющие те же значения массы, времени жизни, но противоположные знаки квантовых чисел Q, L, B, S, C. Должны существовать барионы с большими значениями C (до 3), а также с ненулевыми значениями C и S одновременно; недавно обнаружен мезон ( ГэВ), у которого не равно нулю квантовое число ("красота"), приписываемое b-кварку.

Таблица 4.1.

Элементарные частицы (Q - Электрич. заряд, L - Лептонный заряд, B - Барионный заряд, S - Странность, C - Очарование).

Тип частицы

Символ

Масса m, МэВ

Спин,
в ед.

Время
жизни, с

Q

L

B

S

C

Лептоны

e-

0,511

1/2

-1

1

0

0

0

Стабильно

0

105

-1

<0,522)

Стабильно

0

1784

-1

<1502)

Стабильно

0

Мезоны-
переносчики
взаимодействия

0

1

Стабилен

0

0

0

0

0

W

Z0

0

глюон

0

стабилен

0

Мезоны
(адроны)

135

0

0

0

0

0

0

140

+1

0

0

K0

498

 

0

+1

0

K+

494

+1

+1

0

D0

1864

0

0

+1

D+

1869

~ 10-12

+1

0

+1

F+

2020

+1

-1

+1

Барионы (адроны)

p

938,3

1/2

>1038

+1

0

1

0

0

n

939,6

900

0

0

0

1115

0

-1

0

1189

+1

-1

0

1192

0

-1

0

1197

-1

-1

0

1315

0

-2

0

1321

-1

-2

0

1672

-1

-3

0

2280

~ 10-13

+1

0

1

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк. С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 1/2 и 1/3 элементарного заряда. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

Исторически первыми были осуществлены ядерные реакции взаимодействия альфа-частиц с различными веществами. Альфа-частица, возникающая в результате альфа распада, часто обладает кинетической энергией, достаточной для преодоления кулоновского барьера ядра.

Реакция, приведшая к открытию протона в 1919 году Э.Резерфордом

Реакция, приведшая к открытию нейтрона в 1932 году Чедвиком

Реакции взаимодействия ядер с гамма-квантами (фотоядерные реакции)

Термоядерная реакции, с которой связана надежда человечества на получение энергии в термоядерных реакторах

Существует огромное количество ядерных реакций, которые протекают в природе и могут быть инициированы искусственным путем. Изучением условий протекания и возможности использования ядерных реакций занимается ядерная физика.

4.3. Особенности ядерных реакций с нейтронами.

После открытия нейтрона большой интерес вызвали реакции взаимодействия нейтронов с ядрами, потому что нейтрон не имеет электрического заряда и может подходить к ядру не испытывая кулоновское отталкивание. Взаимодействие нейтронов с ядрами может приводить к появлению различных продуктов реакции. Наиболее часто для большинства ядер происходят реакции рассеяния и радиационного захвата. Данные реакции происходят при всех энергиях нейтронов. Другие реакции, как правило, протекают при энергии нейтрона, большей некоторой величины. Такие реакции называются пороговыми. К ним относятся реакции неупругого рассеяния, (n, 2n), (n,3n), (n,p) и другие. На тяжелых изотопах, начиная с тория, взаимодействие нейтрона с ядром может привести к делению ядра на осколки.

Реакции взаимодействия нейтронов с ядрами среды очень разнообразны. Однако, в ядерном реакторе, в основном, происходят следующие реакции: упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и деление.

4.4. Классификация нейтронов по энергии.

Рождающиеся при делении ядер нейтроны имеют энергию не выше 10,5 МэВ. В последующем при неупругом и упругом рассеянии нейтроны снижают кинетическую энергию вплоть до энергии теплового движения атомов и молекул среды. Энергетическое распределение находящихся в тепловом равновесии со средой нейтронов является распределением Максвелла. Однако, поскольку нейтроны поглощаются ядрами атомов среды, какое-то их число в тепловой области энергий может находиться только при непрерывном поступлении нейтронов из более высоких энергетических областей. Поэтому хотя распределение Максвелла не ограничивается со стороны высоких значений энергий, в случае нейтронов можно указать условную границу распределения: это та энергия, при которой поток замедляющихся нейтронов равен потоку нейтронов, уже пришедших в тепловое равновесие со средой. В ядерных реакторах, работающих на тепловых нейтронах, эта энергия примерно равна 0,2 эВ.

Характер взаимодействия нейтронов с ядрами различен в диапазоне энергий от 0 до 10 МэВ. Поэтому обычно весь возможный диапазон энергий нейтронов в ядерном реакторе разделяют на три области, характеризующиеся своими особенностями взаимодействия: область быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Границы между областями условные, и процессы, характерные для какой-то области, не исключаются в других:

Быстрая область 0,1-10 МэВ

Промежyrочная область 0,2-105 эВ

Тепловая область 0-0,2 эВ

При таком делении быстрой области принадлежит 99 % шкалы энергий, 1 % - промежуточной и ничего - тепловой. Вместе с тем в замедляющих средах значимость энергетических областей как раз обратная. Нейтроны очень быстро покидают быструю область, какое-то время пребывают в промежуточной и накапливаются в тепловой, пока не поглощаются. Так что в тепловой области нейтронов оказывается много больше, чем во всех остальных. В соответствии с классификацией нейтронов и ядерные реакторы называются быстрыми, промежуточными или тепловыми в зависимости от того, какие нейтроны вызывают наибольшее число реакций деления.

4.5. Сечение ядерной реакции. Микроскопическое и макроскопическое нейтронные сечения.

Два макроскопических шара радиусами Rl и R2 сталкиваются друг с другом, если центр одного из них при движении пересекает область, описанную радиусом Rl + R2 около центра второго шара. Площадь поперечного сечения этой области

= (Rl + R2)2

и ее абсолютное значение определяет вероятность столкновения двух шаров при движении в заданной области пространства. Хотя оба шара имеют конечный размер, указанное поперечное сечение можно приписать телу-мишени, и тогда от первого остается только центр или бомбардирующее тело рассматривается как точка.

Ядерные эффективные сечения, или эффективные сечения взаимодействия частиц, имеют тот же смысл: эффективное сечение есть площадь поперечного сечения такой области пространства около частицы-мишени, при пересечении которой бомбардирующей частицей-точкой со 100%-ной вероятностью возникает взаимодействие, сопровождающееся рассеянием или реакцией.

Отметим: 1) ни в пределах объема ядра, ни вблизи элементарной частицы нет такой области, при пересечении которой другой частицей обязательно произойдет взаимодействие. 2) эффективные сечения определяются не столько геометрическими размерами сложных микрочастиц или радиусами действия сил, сколько волновыми свойствами частиц. Ядерные эффективные сечения в физике нейтронов также называются нейтронными эффективными сечениями, определяются экспериментально и измеряются в барнах:  1 барн = 1028 м2.

Направленный поток нейтронов в протяженном теле изменяется по экспоненциальному закону. Константой распределения является величина

=  

которая при описании прохождения через вещество потоков нейтронов называется - макроскопическим сечением. Название связано с тем, что представляет как бы сечение всех ядер единицы объема вещества . Макроскопическое сечение измеряется в 1/м.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11653. Осциллограф однолучевой (одноканальный) 211.5 KB
  Осциллограф однолучевой одноканальный МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ для пользователя Устанавливать осциллограф на рабочем месте так чтобы во время работы обеспечивалась свободная вентиляция. Вентиляционные отверстия корпуса не должны быть закрыты другими предметами. ...
11654. Исследование простейших линейных цепей 130.5 KB
  Лабораторная работа №1 Исследование простейших линейных цепей Цель работы: изучить изменения гармонических и импульсных сигналов при прохождении через дифференцирующие и интегрирующие цепи; уметь правильно выбирать параметры линейных цепей в зависимости
11655. Исследование колебательных контуров 352 KB
  Лабораторная работа №2 Исследование колебательных контуров Цель работы: исследование последовательного параллельного колебательного контура и связанных контуров. Приборы и принадлежности: 1. Генератор сигналов низкочастотный типа Г3112 Г333 Л30 или аналоги...
11656. Исследование характеристик полупроводниковых диодов, стабилитронов, туннельных диодов 105 KB
  Лабораторная работа №3 Исследование характеристик полупроводниковых диодов стабилитронов туннельных диодов Цель работы: ознакомиться с принципами действия и основными параметрами диодов стабилитронов выпрямительных диодов. Приборы и принадлежности: ...
11657. Исследование логических схем 546.5 KB
  PAGE 51 Лабораторная работа №4 Исследование логических схем Цель работы: изучить работу основных логических элементов Приборы и принадлежности: Осциллограф универсальный типа С167 С168 С165 или аналогичный. Лабораторный модуль. В...
11658. ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ 84.5 KB
  Лабораторная работа №5 ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АМПЛИТУДНОМОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: ознакомиться с принципами действия и основными параметрами амплитудной модуляции и детектирования амплитудномодулированных колебани
11659. ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 219 KB
  Лабораторная работа №6 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Цель работы: ознакомиться с основными параметрами транзистора и снять его статические входные и выходные характеристики. Приборы и принадлежности: 1. Встроенный микроамперметр РА1. 2. Встроенный ...
11660. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 151.5 KB
  Лабораторная работа №7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия полевых транзисторов снять основные характеристики полевого транзистора. Приборы и принадлежности: 1. Встроенные вольтметры PV1 PV2. 2. В
11661. ИССЛЕДОВАНИЕ LC-ГЕНЕРАТОРА 182 KB
  Лабораторная работа №8 ИССЛЕДОВАНИЕ LCГЕНЕРАТОРА Цель работы: изучить работу и провести исследование LCгенератора с трансформаторной связью. Приборы и принадлежности: 1. Генератор сигналов низкочастотный типа Г3112 Г333 Л30 или аналогичный. 2. Милливо...