Физика. Строение и физические свойства вещества. Барсуков В.И - 21 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

Эффективность ядерной реакции определяется эффективным поперечным сечением
σ
данной реакции. Величина
σ имеет размерность площади и характеризует «выход» реакции на одну облучающую частицу:
.
0
0
Ndxn
dn
=σ
(2.12)
В этом определении считается, что за единицу времени на единицу площади поперечного сечения вещества, содер-
жащего
0
N ядер в единице объёма, падает плоскопараллельный поток, содержащий
0
n частиц;
0
dn – число этих частиц,
вызвавших ядерную реакцию в слое толщиной
dx . Эффективное сечение измеряется в барнах (
228
м10
−
).
Исторически первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Э. Резерфордом – превращение азота в кислород:
,O)(FeHeN
1
1
17
8
18
9
4
2
14
7
p+→→+ (2.13)
или сокращенно .O),(N
17
8
14
7
pα
Наибольшее значение (для получения искусственных радиоактивных изотопов) имеют реакции, вызванные нейтро-
нами, особенно, если взаимодействие носит резонансный характер, т.е. энергия нейтрона равна энергии, необходимой для
перевода составного ядра на возбуждённый уровень.
Деление ядер. В 1938 г. немецкие учёные Ганн и Штрассман обнаружили, что при облучении
U нейтронами обра-
зуются элементы из середины периодической системы элементов – Ba и La , т.е. ядро делилось примерно на равные час-
ти – осколки деления.
Деление тяжёлых ядер на два осколка сопровождается выделением огромной энергии и высвобождением нескольких
нейтронов. Так, при делении ядра урана
238
92
U , содержащего 238 нуклонов, выделяется энергия порядка 200 МэВ. При
делении ядер, содержащихся в 1 г урана
235
92
U , выделяется энергия ,Дж108
10
⋅ или чкВт00022 ⋅ .
Возникновение при делении ядер
233
92
235
92
U,U и
239
94
Pu нескольких нейтронов даёт возможность осуществления цеп-
ной ядерной реакции. Цепная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами.
1. Выделение из природного урана
235
U . При его массе более девяти килограмм нейтроны быстро размножаются,
и реакция деления приобретает взрывной характер (атомная бомба).
2. Использование урана в атомных реакторах.
235
U облучается тепло-выми нейтронами. Замедление нейтронов осу-
ществляется за счёт упругого рассеяния. Идеальным замедлителем должен был быть обычный водород (
p
m
и
n
m одина-
ковы). Однако водород сильно поглощает нейтроны
2
1
1
1
D),(H γn
. Ядра замедлителя должны иметь малые сечения захвата
и большие сечения упругого рассеяния. Этому условию удовлетворяют дейтерий, углерод и бериллий (BeC,D, ).
Первый реактор (
CU − ) был запущен в 1942 г. в Чикагском университете под руководством Э. Ферми.
Термоядерные реакции. Вторым путём выделения внутриядерной энергии, помимо деления тяжёлых ядер, являются
реакции синтеза ядер трития и гелия из ядер дейтерия. Например:
;HDD
1
1
3
1
2
1
2
1
p+→+ (2.14)
;HeDD
1
0
3
2
2
1
2
1
n+→+ (2.15)
.HeHD
1
0
4
2
3
1
2
1
n+→+
(2.16)
Удельные энергии связи в трех ядрах
3
2
3
1
2
1
He,H,D
– относятся приблизительно как 1 : 3 : 6. Это означает, что первые
две ядерные реакции сопровождаются выделением энергии 4,04 и 3,27 МэВ, соответственно, ещё большая – 17,58 МэВ –
выделяется в третьей реакции. На один нуклон эта энергия равна
МэВ5,3
5
58,17
= , т.е. примерно в четыре раза больше,
чем в реакции деления урана
238
92
U : МэВ85,0
238
200
= . Более эффективной будет реакция синтеза ядер гелия из четырёх
протонов –
7,6 МэВ – на одну частицу.
Реакции синтеза лёгких ядер, связанные с преодолением потенциальной энергии их отталкивания, эффективно могут
протекать при сверхвысоких температурах порядка
К10...10
98
, превышающих температуру центральных областей Солн-
ца (
К103,1
7
⋅=T ). Такие реакции происходят в веществе, находящемся в плазменном состоянии.
Условия, близкие к тем, какие реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе, где идёт са-
моподдерживающаяся реакция взрывного характера в смеси дейтерия и трития типа (2.16).
Высокая температура для этой реакции была получена при взрыве обычной атомной бомбы. Теоретической основой
управляемых термоядерных реакций являются реакции типа (2.14) и (2.15).
Для осуществления этих реакций необходимо, чтобы плазма была сильно нагрета и удерживалась в этом состоянии
длительное время.
2.6. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. Укажите, сколько и каких нуклонов содержится в ядрах атомов следующих элементов:
,H
1
1
,O
17
8
.U
235
92

Страницы