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

12 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

78878. Природа ценности и их роль в социально-гуманитарных науках 14.19 KB
  Риккертом теория ценностей которого включает ряд моментов значимых для понимания ценностей в науках о культуре и историческом знании. Философ исходит из того что ценности это самостоятельное царство соответственно мир состоит не из субъектов и объектов но из действительности как изначальной целостности человеческой жизни и ценностей. Признание самостоятельного мира ценностей это метафорически выраженное стремление понять утвердить объективную внесубъектную природу ценностей способ выражения его независимости от обыденной...
78879. Предмет философии науки. Исследование общих закономерностей по производству, проверке и обоснованию научного знания на разных этапах развития общества 41 KB
  Что такое наука Чем отличается научное знание от мифа и религиозных представлений В чем ценность науки Как она развивается Какими методами пользуются ученые Попытки найти ответы на эти и другие вопросы связанные с пониманием науки как особой сферы человеческой деятельности привели к возникновению в рамках аналитической философии особого направления философии науки которая сформировалась в XX в. на стыке трех областей: самой науки ее истории и философии. Трудно указать тот момент когда возникает философия науки как особая сфера...
78880. Проблема генезиса науки и способы классификации основных этапов ее эволюции 29.5 KB
  Проблема генезиса науки и способы классификации основных этапов ее эволюции В античности и средние века в основном имело место философское познание мира. В античный и средневековый периоды существовали лишь элементы предпосылки науки но не сама наука в собственном смысле слова которая возникает только в Новое время. Онито и образуют первоначальное целое единой науки как таковой науки вообще в отличие от философии. В понимании генезиса возникновения науки в истории и философии науки сложились два противоположных подхода.
78881. Донаучное знание и его особенности 27.5 KB
  Донаучное знание и его особенности Вненаучное знание не является чьейто выдумкой или фикцией. Вненаучное знание – разрозненное несистематическое знание которое находится в противоречии с существующей картиной мира. Одна из форм вненаучного знания это донаучное знание. Донаучное знание выступающее прототипом предпосылочной базой научного.
78882. Рождение античной науки 55.5 KB
  Так в древнеегипетской цивилизации носителями знаний были жрецы в зависимости от уровня посвящения обладавшие той или иной суммой знаний. Знания существовали в религиозномистической форме и только жрецы могли читать священные книги и как носители практических знаний имели власть над людьми. Предпосылкой возникновения научных знаний многие исследователи истории науки считают миф. Особенности греческого мышления которое было рациональным теоретическим что в данном случае равносильно созерцательному наложили отпечаток на формирование...
78883. Наука в условиях европейского Средневековья 28.5 KB
  Большое значение для развития науки имело открытие университетов. Другой предпосылкой будущего расцвета науки послужило развитие техники. Наступала новая эпоха в развитии цивилизации и науки. Однако в сфере науки не было совершено прорыва.
78884. Становление науки классического типа 30.5 KB
  Фарадей обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, ввел понятия электрического и магнитного полей, выдвинул идею о существовании электромагнитного поля. Максвелл создал электродинамику и статистическую физику, построил теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею об электромагнитной природе света.
78885. Проблема методов познания в философии Нового времени 29.5 KB
  Проблема методов познания в философии Нового времени Наука находится в центре внимания главных философских направлений XVII XVIII вв. Основные области философии этого времени онтология и гносеология. ontos сущее и logos слово понятие учение учение о бытии как таковом знании об истинно существующем раздел философии изучающий фундаментальные принципы бытия наиболее общие сущности и категории сущего Гносеология позже стал употребляться термин эпистемология в переводе с греческого теория познания раздел философии в...
78886. Особенности неклассической науки 31 KB
  Особенности неклассической науки Опора науки Нового времени на эксперимент развитие механики заложили фундамент для установления связи науки с производством. В результате разрешения кризиса произошла новая научная революция начавшаяся в физике и охватившая все основные отрасли науки Она связана прежде всего с именами МЛланка 1858 1947 и А. Механическая картина мира классической науки была рассчитана на относительно малые скорости которые абсолютно не укладывались во внутреннюю логику новых...