Лекции по физике

Радиоактивность.

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Открытие радиоактивности датируется 1896г., когда французский физик А. Беккерель обнаружил испускание ураном неизвестного проникающего излучения, названного им радиоактивностью.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием gфотонов.

К числу радиоактивных процессов относят: aраспад, bраспад (в том числе электронный захват), gизлучение ядер, протонная радиоактивность.

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной.

Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.

Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента: aчастицы. Отклоняются электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной 0,05 мм). Представляет собой поток ядер гелия; заряд qa = 2, а масса совпадает с массой гелия 24Не; bчастицы. Отклоняются электрическим и магнитным полями, их ионизирующая способность значительно меньше, а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной 2 мм). Представляет собой поток быстрых электронов, испускаемых из ядра. Эти электроны образуются в результате взаимопревращений нуклонов в ядре; gизлучения. Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 мм). При прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Это коротковолновое электромагнитное излучение (l < 1010 м), обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами (gкванты).

Закон радиоактивного распада.

Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

Теория радиоактивного распада строиться на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся статистическим законам. Т.к. отдельные радиоактивные ядра претерпливают превращение независимо друг от друга, то можно считать, что количество ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер, так и промежутку времени dt: dN = lN * dt, где l постоянная радиоактивного распада, постоянная для данного радиоактивного вещества величина. Знак синус указывает на то, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные, и проинтегрировав их, получим:

dN/N = l*dt Þ ò dN/N = l òdt Þ ln(N/N0) = l * t.

В результате получим закон радиоактивного распада:

N = N0 * e l * t (1), где N0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

Т.о. согласно закону радиоактивного распада число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т1/2 – промежуток времени, за который в среднем число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое; и среднее время жизни t радиоактивного ядра. Тогда: N/2 = N0 * e l T Þ

T1/2 = ln 2 / l = 0.693 / l.

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3*107 с до 5*1015 лет.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна: t * |dN| = l * N * t * dt.

Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т.е. от 0 до ¥) и разделив на начальное число ядер N0, получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:

t= 1/N0 * ò l * N * t * dt = 1/N0 * ò l * N0 * t * e l t * dt = l ò t * e l t * dt = {надо перейти к переменной х = lt и осуществить интегрирование по частям} = 1/l.

Т.о. среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l.

Активность (А) нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N в радиоактивном источнике) называется величина, равная отношению числа DN распавшихся ядер ко времени Dt, за которое произошел распад: А = DN / Dt (2).

В результате (1) и (2): А = l * N. Единица активности в СИ – Беккерель: [A] = Бк.

Беккерель – активность нуклида, при которой за 1с происходит один акт распада.

Внесистемная единица активности нуклида – Кюрл [Кл]: 1 Кл = 3,7 * 1010 Бк.

Естественная радиоактивность наблюдается у ядер атомов химических элементов, расположенных за свинцом в периодической системе Менделеева. Естественная радиоактивность легких и средних ядер наблюдается лишь у ядер: 940K, 3787Pb, 49115Jn, 57138La, 62147Sm, 71175Lu, 75187Re.

Ядерные реакции.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами, в т.ч. с gквантами или друг с другом.

Для осуществления ядерных реакций необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т.д.) на расстояние ~1015 м. Энергия налетающих положительных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядер (для однозарядовых частиц ~ 10МэВ). В этом случае ядерные реакции, как правило, осуществляются бомбардировкой мишеней пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер отсутствует, и ядерные реакции могут протекать при тепловых энергиях налетающих частиц.

В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать с помощью эффективного сечения s. Пусть поток частиц, например нейтронов, падает на мишень, настолько, тонкую, что ядра мишени не перекрывают друг друга (см.рисунок).

Если бы ядра были твердыми шариками с поперечным сечением s, а падающие частицы – твердыми шариками с исчезающе малым сечением, то вероятность того, что падающая частица заденет одно из ядер мишени была бы равна: W = s*n*d, где n – концентрация ядер, т.е. их число в единице объема мишени, d толщина мишени; (s*n*d определяет относительную долю площади мишени, перекрытую ядрамишариками).

Эффективные сечения ядерных процессов принято выражать в единицах, получивших название барн: 1 барн = 1024 см2.

Эффективное сечение рассеяния характеризует эффективность ядерной реакции.

Как правило, в ядерных реакциях участвуют два ядра и две частицы. Одна пара ядрочастица является исходной, другая – конечной.

Символическая запись ядерной реакции: х + а = у + b или Х(а,b)У, где Х и У – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции.

Иногда ядерные реакции могут протекать в две стадии по схеме: х + а ® с ® у + b, где с – промежуточное ядро (комнаундядро). 

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения электрического заряда, энергии и импульса. Закон сохранения массового числа выполняется не во всех реакциях. Так, если кинетическая энергия вступающих в реакцию частиц достаточна для рождения нуклон – антинуклонной кары, то массовое число может изменяться.

Ядерные реакции характеризуются энергией ядерной реакции Q, равной разности энергий конечной и исходной пар в реакции. Если Q < 0, то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической, если Q > 0, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической

Деление ядер.

Реакция деления атомного ядра заключается в том, что тяжёлое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определенной энергии для преодоления потенциального барьера называемого барьером деления (см.рисунок).

Эту энергию ядро может получить из вне, например при захвате нейтрона. В случае спонтанного деления ядер происходит туннельное просачивание через барьер.

Масса тяжелого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет » 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Т.е. при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия порядка 1,1 МэВ/нуклон. Значительная часть этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков, равной энергии их электростатического отталкивания в момент деления. Суммарная кинетическая энергия осколков составляет для урана и трансурановых элементов ~ 200 МэВ. При делении ядер, содержащихся в 1г  235U, выделяется энергия 8*1010 Дж, или 22000 кВт*ч. Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая ионизацию, нагревание и нарушая её структуру.

Цепные ядерные реакции.

Цепные ядерные реакции – ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций.

Пока единственная известная цепная ядерная реакция – реакция деления урана и некоторых трансурановых элементов под действием нейтронов.

В 1939г. Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон впервые указали на возможность существования таких реакций. Впервые цепная реакция деления была осуществлена итальянским физиком Э. Ферми в 1942г. После открытия деления атомных ядер Ферми, У. Зинн, Л. Силард (США), Г.Н. Флеров показали, что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона:

n + U ® A + B + ύ, где А и В – осколки деления с массовыми числами от 90 до 150; ύ – число вторичных нейтронов.

Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.

Необходимое условие для осуществления цепной ядерной реакции деления k ³ 1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Вопервых, изза конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена какимлибо ядром. Вовторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны.

Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно существование цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.

Пример: для 235U r = 19,5 г/см3 и при сферической форме системы: mкр = 50 кг, rкр = 9 см.

При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений растет и реакция может стать взрывной.

При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов со временем не изменяется.

При k < 1 идет затухающая реакция.

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы неуправляемая реакция. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась в ней 235U и 239Pu делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает цепная реакция деления. Взрывная реакция начинается за счет нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения.

Управляемые ядерные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерным топливом могут служить три природных изотопа 235U, или сырьем для его получения 232Th и 238U.

232Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива 233U, а 238U ® для 293Pu:

92238U + 01n ® 92239Ub ® 93239Nb ® 94239Pu.

Т.о. имеется возможность воспроизведения ядерного горючего при цепной реакции деления.

5.25. Ядерные реакторы на тепловых и быстрых нейтронах.

Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной реакции, но и управление ею.

Ядерные реакторы – это устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления.

Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит главным образом либо в упругом рассеивании нейтронов на ядрах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах, называемых замедлителями (графит, тяжелая вода, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, передавая энергию атомам замедлителя. В результате нейтроны становятся тепловыми. 

При совпадении энергии тепловых нейтронов с энергией составного ядра наблюдается резонансное поглощение (резонансный захват) нейтронов.

Первый реактор был пущен в Чикагском университете в 1942г. Э. Ферми, в СССР подобный реактор был создан в 1946г. под руководством И.В. Курчатова.

В качестве делящегося вещества в реакторах на тепловых нейтронах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом 235U) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами 238U, сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем.

В реакторах на быстрых нейтронах используются нейтроны деления и замедлитель отсутствует.

Первая атомная электростанция была построена в СССР в г. Обнинске под руководством И.В. Курчатова. Её мощность 5 МВт.

Схема уранграфитового реактора приведена на рисунке:

1 – замедлитель (графит); 2 – блоки из урана, тепловыделяющие элементы (твэлы); 3 – стержни кадмия или бора, интенсивно поглощают электроны и служат для регулировки процесса в реакторе.

Введение стержней 3 в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, и введение увеличителя. Стержнями управляет автоматика, позволяющая поддерживать мощность реактора на заданном уровне.

Реакция синтеза, условия их осуществления. Управляемый термоядерный синтез.

Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~ 108 К и выше).

Высокие температуры, т.е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкивание ядер. Без этого невозможно сближение ядер на расстояния порядка радиуса действия ядерных сил, т.е. и перестройка ядер.

Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Реакция синтеза атомных ядер могут служить колоссальным источником энергии. Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия 12Н и трития 13Н) к литию 36Li и особенно к гелию 24He, т.е. реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые должна сопровождаться выделением большого количества энергии.

Пример реакции синтеза:

12Н + 12Н ® 13Н + 11р (Q = 4,0 МэВ)

12Н + 12Н ® 23Не + 01n (Q = 3,3 МэВ)

12Н + 13Н ® 24Не + 01n (Q = 17,6 МэВ)

36Li + 12Н ® 24Не + 24Не  (Q = 22,4 МэВ)

где Q – энерговыделение.

Энергия, выделяемая на один нуклон в реакциях синтеза атомных ядер значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. Так, при делении ядра 92238U на один нуклон выделяется » 0,84 МэВ энергии, а в реакции синтеза эта энергия составляет 3,5 МэВ.

Термоядерные реакции являются, повидимому, одним из источников энергии Солнца и звезд.

Впервые искусственная управляемая термоядерная реакция была осуществлена в СССР (1953г.), а через полгода в США в виде взрыва водородной бомбы.

На главную