Лекция 14. Ядерные реакции. Элементарные частицы.

План лекции

1. Ядерные реакции. Радиоактивные превращения атомных ядер.
2. Реакции ядерного деления. Цепная реакция деления.
3. Сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное взаимодействие.

ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИИ

1. Ядерные реакции — это превращения атомных ядер при взаимодействии с эле­ментарными частицами (в том числе и с g-квантами) или друг с другом. В любой ядерной реакции выполняют­ся законы сохранения электрических за­рядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступаю­щих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции. Выпол­няются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энер­гии), так и эндотермическими (с поглоще­нием энергии).

В ядерной физике вводится характер­ное ядерное время — время, необходимое для пролета частицей расстояния порядка величины, равной диаметру ядра (d»10^-15м). Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1) по роду участвующих в них частиц — реакции под .действием нейтро­нов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, a-частиц); реакции под действием g-квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц — реакции при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реак­ции при средних энергиях (до несколь­ких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием g-квантов и заряженных частиц (протоны, a-частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рож­дению отсутствующих в свободном состоя­нии элементарных частиц и имеющие большое значение для их изучения;

3) по роду участвующих в них ядер — реакции на легких ядрах (A<50); реак­ции на средних ядрах (50<A<100); реак­ции на тяжелых ядрах (А>100);

4) по характеру происходящих ядер­ных превращений — реакции с испускани­ем нейтронов; реакции с испусканием за­ряженных частиц; реакции захвата (в слу­чае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько g-квантов).

Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота a-частицами, испускаемыми радиоактивным источником:

П. Дираком было получено реляти­вистское волновое уравнение для электро­на, которое позволило объяснить все ос­новные свойства электрона, в том числе наличие у него спина и магнитного мо­мента. Замечательной особенностью урав­нения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, но и отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электро­на — позитрона.

Жолио-Кюри — Фредерик (1900— 1958) и Ирен (1897—1956),—бомбарди­руя различные ядра a-частицами (1934), обнаружили искусственно-радиоактивные ядра, испытывающие b^--рас­пад, а реакции на В, Аl и Mg привели к искусственно-радиоактивным ядрам, претерпевающим b⁺-распад, или позитронный распад:

Наличие в этих реакциях позитронов доказано при изучении их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Таким образом, в экспериментах Жо­лио-Кюри, с одной стороны, открыта искусственная радиоактивность, а с дру­гой — впервые обнаружен позитронный радиоактивный распад.

Характер ядерных реакций под дей­ствием нейтронов зависит от их скорос­ти (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на две группы: медленные и быстрые. Область энергий мед­ленных нейтронов включает в себя область ультрахолодных (с энергией до 10^-7эВ), очень холодных (10 ^-7—10^-4 эВ), холод­ных (10^-4 — 10^-3эВ), тепловых (10^-3 — 0,5 эВ) и резонансных (0,5—10⁴эВ) нейтронов. Ко второй группе можно отнести быстрые (10⁴—10⁸эВ), высокоэнергетичные (10⁸—10¹⁰ эВ) и релятивистские ³10¹⁰ эВ) нейтроны.

Замедлить нейтроны можно, пропуская их через какое-либо вещество, содержа­щее водород (например, парафин, вода). Проходя через такие вещества, быстрые нейтроны испытывают рассеяние на ядрах и замедляются до тех пор, пока их энер­гия не станет равной, например, энергии теплового движения атомов вещества-за­медлителя, т. е. равной приблизительно kT.

Реак­ция деления ядра: тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как b^--распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки b^--превращений соотношение между ней­тронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу.

В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена ка­пельная модель ядра). Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняю­щейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движе­ние, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деле­ния, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реак­ции, в которой частицы, вызывающие ре­акцию, образуются как продукты этой ре­акции. Цепная реакция деления характе­ризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необхо­димым условием для развития цепной ре­акции деления является требование k³1.

Оказывается, что не все образующие­ся вторичные нейтроны вызывают после­дующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размноже­ния. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где проис­ходит цепная реакция) и большой про­никающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

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 осуществление цепной реакции, называются критическими разме­рами. Минимальная масса делящегося ве­щества, находящегося в системе критиче­ских размеров, необходимая для осуще­ствления цепной реакции, называется критической массой.

Цепные реакции делятся на управляе­мые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хра­нении не взорвалась, в ней ²³⁵₉₂U (или ²³⁹₉₄Pu) 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 взрывная цепная ре­акция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная ре­акция начинается за счет имеющихся ней­тронов спонтанного деления или нейтро­нов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядер­ных реакторах.

В природе имеется три изотопа, кото­рые могут служить ядерным топливом (²³⁵₉₂U: в естественном уране его содержится примерно 0,7 %) или сырьем для его полу­чения (²³²₉₀Th и ²³⁸₉₂U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). ²³²₉₀Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива ²³³₉₂U (см. реакцию (265.2)), a ²³⁸₉₂U, поглощая нейтроны, посредством двух последова­тельных b^--распадов — для превращения в ядро ²³⁹₉₄Pu..