|
|
Шпора по физике [3 семестр]. Интерференция света световая волна
КОМПАУНД-ЯДРО (СОСТАВНОЕ ЯДРО)
Рассмотрим ядерные реакции, протекающие под влиянием задержанных частиц. Частица, попавшая в ядро в результате столкновений с другими нуклонами ядра и обмена с ним энергией вместо того, чтобы пролететь ядро за время ∆t=2r/v, запутывается между нуклонами и остается в сфере действия ядерных сил на время большее, чем ∆t. Частица, попавшая в ядро и существовавшая в нем ранее, образует единую систему компаунд-ядро. Образовано компаунд-ядро – первая стадия ядерно реакции. Компаунд-ядро всегда возбуждено, т.к. попавшая в него частица приносит с собой энергию. Т.о. энергия возбуждения компаунд-ядра: Eвозб=Eo+Ek. Распределение энергии возбуждения в компаунд-ядре не равномерно, а подчиняется Максвелскому закону распределения частиц по энергиям идеального газа => можно говорить о температуре компаунд-ядра, мерой которого является средняя температура частиц Ek=mv(c.2)/2=(3/2)*kT. Например, частица с энергией 10МэВ, попав в ядро с массовым числом А=100 возбуждает его Eвозб=E/A=0,1МэВ. Если считать (3/2)kT=E/A => T=2E/3kA=10(c.9)K. Температура компаунд-ядра огромна и у такого нагретого ядра может произойти явление, аналогичное испарению молекул из капли жидкости, т.е. большая часть энергии возбуждения сосредоточится у какой-то частицы. Ядро претерпит преобразования. Это 2-ая стадия ядерной реакции.
I) [27, 13]Ae+[1, 0]n[28, 13]Ae, II) может протекать в различных направлениях: а) [28, 13]Al[27, 12]Mg+[1,1]H, б) [28, 13]Al[24, 11]Na+
+[4, 2]He, в) [28, 13]Al[26, 13]Al+2p[1,0], г) прежде чем большая часть энергии компаунд-ядра сосредоточится у какой-либо одной частицы, произойдет излучение γ-кванта. В этом случае частица, попавшая в ядро так там и остается. Эта реакция называется радиоактивным захватом.
[28, 13]Al[28, 13]Al+hν(инд.γ). д) реакция деления ядра.
Т.к. распределение энергии компаунд-ядра носит статический вероятностный характер, то в макроскопическом теле будут представлены все названные типы превращений. Данное ядро претерпит один тип превращения. В зависимости от превращения компаунд-ядра различают следующие типы ядерных реакций: 1) радиоактивный захват, ядро испускает γ-квант без излучения какой-либо частицы. 2) реакция с испусканием заряженных частиц. При этом чтобы ядро испустило заряженную частицу необходимо, чтобы частица, вызвавшая ядерную реакцию, обладала значительной энергией, т.к. вокруг ядра существует потенциальный барьер. Если энергия частицы, попавшей в ядро не велика, то реакция типа: [A, Z]X+n[1, 0][A+1, Z]X[A, Z-1]Y+[1,1]H,
[A, Z]X+n[1, 0][A+1, Z]X[A-3, Z-2]Y+[4, 2]He. Могут происходить только у легких ядер, у тяжелых ядер, число нуклонов в которых велико, радиоактивный захват произойдет раньше, чем испускание заряженной частицы. 3) реакция с испусканием нейтронов
[A, Z]X+n[1, 0][A+1, Z]X[A, Z]Y+n[1, 0]. Если компаунд-ядро образовалось за счет попавшего в него нейтрона, то полученное ядро будет иметь тот же состав атомов, что и исходное ядро, однако вылетевши нейтрон будет иметь иную энергию и иное направление, нежели исходное ядро. Это реакции неупругого рассеиния нейтронов. Ядерные реакции могут осуществляться за счет [1,1]p, [1, 2]d, [4,2]He. Наибольшее значение имеют реакции, которые возникают за счет нейтронов, т.к. для нейтронов не существует потенциального барьера вокруг ядра и нейтрон может попасть в ядро, обладая малой скоростью и задерживается в сфере действия ядерных сил на длительное время, вследствии чего увеличивается вероятность захвата нейтрона ядром. Замечательной особенностью реакции с захватом нейтронов искуственных радиоактивных изотопов. С попаданием n[0,1] в ядро увеличивается число нейтронов и нарушается соотношение устойчивости, ядро становится β-радиоактивным.
Nуст/Zуст=0,96+0,015.
ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ.
В 1938г Ган и Штрассман обнаружили что при облучении ядер Урана
[235, 92]U нейтронами возникают элементы Барий и Лантан, расположенных в средней части таблицы Менделеева. Объяснение этому было дано Фришем и Мейтнер, которые предположили, что влиянием нейтронов ядро делится на 2 части, которые называются осколками деления, а последующие исследования показали, что всего образуется до 80 осколков деления, причем наиболее вероятно образование осколков, массы которых относятся как 2:3. Т.к. удельная энергия связи в ядрах электронов в средней части таблицы Менделеева больше, чем в тяжелых ядрах атомов урана, то реакция деления должна сопровождаться выделением энергии. Тяжелые ядра содержат большое число нейтронов, поэтому осколки должны быть перегруженными нейтронами. Опыт показал, что большая часть нейтронов испускается мгновенно, некоторая часть испускается с запаздыванием t=(0,05-1), но осколки остаются перегруженны нейтронами и претерпевают β-распад: [235, 92]U+[1,0]n[140, 55]Cs+[94,37]Rb+2[1,0]n+
+200МэВ; [140,55]Cs[140,56]Ba[140,57]La[140,58)Ce;
[94,37]Rb[94,38]Sr[94,39]Y[94,40]Zr; Ce и Zr – стабильны. Кроме ядер урана при облучении нейтронами делятся [232,90]Th , [231,91]Pa, [239,94]Pu. Ядра урана 235 и плутона 235 делятся любыми нейтронами, но лучше всего тепловыми, т.е. обладающими малыми энергиями
E=0,025 эВ (уран 238 и E=1МэВ). Т.к. при реакции деления каждого ядра урана выделяется несколько нейтронов, то эта реакция является теоретической основой для осуществления цепной ядерной реакции. В самом деле, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать деление z ядер, в результате будет испущено z(c.2) новых нейтронов, которые вызовут деление z(c.2) ядер и т.д. Однако это возможно только в идеале. Реально следует иметь ввиду, что размеры делящегося вещества конечны, и нейтроны обладают большой проникающей способностью и большая часть покинет зону деления прежде чем окажется захваченной ядрами, и часть нейтронов поглощает неделящиеся примеси. Природный уран состоит в основном из изотопа 99,27% - уран 238, 0,72% - уран 235 и 0,01% уран 234. Следовательно на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро 235-го приходится 140 ядер 238-го, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает. Осуществить ядерную реакцию можно: 1) выделив из природного урана 235. Но в чистом куске урана 235 цепная реакция самопроизвольно не возникнет до тех пор, пока масса этого куска меньше критической: mm(инд.k) реакци деления идет со взрывом. На этом свойстве
урана 235 основано действие ядерной бомбы.
1 – ядерный заряд (уран 235 или плутон 239).
2 – запал бомбы (взрывчатое вещество), 3 – массивная
металлическая оболочка. Для возникновения цепной ядерной
реакции достаточно выстрелить одним куском урана в другой.
2) в ядерных реакторах и атомных котлах. В ядерных реакторах используется природный уран, обогащенный уран 235. Они бывают
гомогенными (делящееся вещество равномерно распределяется среди замедлителя, т.е. вещества, которые замедляют электроны для предотвращения их радиоактивного захвата, обычно тяжелая вода) и гетерогенными (делящееся вещество в виде блоков располагается между замедлителем графитом). 1942г: 45т. урана 238 и 450т. графита. В 1954г. была построена первая атомная электростанция в СССР.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Синтез более тяжелых ядер из более легких (изотопов
He из изотопов H). Для легких ядер удельная энергия связи
растет. [2,1]d+[2,1]d=[2,1]H+[1,1]p+4МэВ или
[2,1]d+[2,1]d=[3,2]Na+[1,0]n+3,25эВ, [2,1]d+[3,1]H=
=[4,2]He+[1,0]n+17,6эВ. С учетом энергии эффекта на одну ядерную частицу: E1=200/238=0,85МэВ, E2=17,6/5=3,5МэВ; Поэтому реакции синтеза являются почти неисчерпаемыми источниками энергии.
УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ РЕАКЦИИ СИНТЕЗА: Для легких ядер потенциальный барьер вокруг ядер невыше E=0,1МэВ. Эта энергия тратится для сближения ядер до r=3*10(c.-15)м и на преодоление потенциальной энергии E(инд.П)=e(c.2)/4πε(инд.0)r;
(3/2)*kT=0,1МэВ, T=2*10(c.9)K, что выше чем Tсолнца=1,3*10(c.7)K. Ядерные реакции, протекающие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Дальнейшие исследования показали, что температурный режим, при котором может протекать реакция синтеза, может быть несколько ослаблен до T10(c.7)K. Дело в том, что вещество при сверхвысоких температурах представляет собой высокотемпературную плазму. Т.е. электронно идеальный газ. Распределение частиц плазмы по состояниям подчиняется максвелскому закону. В хвосте максвелской кривой имеется достаточно
частиц при T10(c.7)K, которые за счет тунельного эффекта могут
взаимно проникать друг в друга и участвовать в реакции
термоядерного синтеза. T10(c.7)K – температура центральных
областей солнца, кроме того исследование спектрального состава солнца показывает, что оно на ≈80% H, ≈20% He, <1% N,O,C, Масса солнца=1,8*10(c.30)кг. Все это говорит о том, что термоядерные реакции протекают в недрах солнца и звезд и является тем источником, который компенсирует излучение солнца и звезд. В земных условиях важно осуществить управляемую термоядерную реакцию. В СССР впервые было осуществлено в водородной бомбе примерно эти условия. Заряд водородной бомбы – смесь водорода [2,1]H. В 1950г. Сахаров. Если через столб плазмы пропустить электрический ток, то магнитное поле этого тока создает электронно-динамические силы, которые стремятся стянуть этот плазменный шнур.Постоянно происходят нал-ие этого шнура и форма магнитного поля нарушается.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
1932г. Существующие [1,1]p, [1,0]n, [0,-1]e; 1956г. более 30-ти электронов. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. элементарные частицы смогут взаимодействовать в 4-ех взаимодействиях: - сильное, - электро-магнитное, - слабое, - гравитационное. Принято характеризовать с помощью констаты взаимодействия – это безразмерная величина, характеризующая интенсивность взаимодействия. 1) сильное взаимодействие – ответственно за взаимодействие между нуклонами в ядре: K=10; r=10(c.-15)м.
2) электро-магнитное взаимодействие – характерно для частиц имеющих заряд: K=10(c.-2), r=∞. 3) слабое взаимодействие – имеет констату
K=10(c.-14); характерно для всех типов β-распада: также электронный захват, за все типы взаимодействия с участием нейтрино r=10(c.-15), ответственно за все вида взаимопревращения. 4) гравитационное взаимодействие – K=10(c.-39), r=∞, наиболее универсальное взаимодействие, присуща всем частицам. В зависимости от типа взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, их делят на 4 класса: 1. фотоны (γ-кванты, оптические кванты) – участвуют в электро-магнитном взаимодействии, не участвуют в слабом и сильном, спин фотона =S=h(в). 2. липтоны (частицы участвующие в слабом взаимодействии пара электронов и позитрон, т.е. e[0, -1]; e[0, +1]; M-, M+, r+, r-, ν, ν(в).
S=h(в)/2, меоны – неустойчивые; m(инд.M)>207m(инд.е);
M+e[0, +1]+ν+ν(в); M-e[0,-1]+ν+ν(в)(инд.М). 3. Мезоны – неустойчивая короткоживущая частица, для которой характерно сильно взаимодействие: K+, K-, Ko – K-мезоны или пионы; π+, π-, πo – π-мезоны или лионы; r=10(c.-18)c. Все мезоны поглощаются ядрами; π-=M- + ν(в)(инд.М);
π+M+ + ν(в)(инд.M); πoe+ + e- + e+ + e-; S=0. 4. Барионы: S=π/2;
([1,1]p, [1,0]n – также большая группа короткоживущих частиц - гипероны) r=10(c.-8)c. (λ; Σ+, Σ-, Σo..). Мезоны и барионы объединяют в один класс – андроны – резонанс r=10(c.-23)-10(c.-27)c – особая частица, представляющая собой совокупность частиц в резонансном состоянии.
СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
Космические лучи – это поток частиц больших энергий порядка
E10(c.9)-10(c.18)эВ на частицу, приходящий из космоса. Впервые они были обнаружены по ионизации воздуха вблизи поверхности земли причем степень ионизации росла с удалением от Земли. По существующим в настоящее время гипотезам источником космических лучей - являются взрывы звезд в результате которых выбрасываются частицы. Это e[0,-1];
p[1,1], d[2,1] и т.д. Облака межзвездного газа.Электроны взаимодействуют с этим магнитным полем, они тормозятся этим полем и вся энергия электронов уходит на тормозное короткочастотное радиоизлучение, тяжелые частицы не теряют свою энергию на тормозное излучение, они даже ускоряются полем межзвездного газа, быстрые микро-частицы – протоны приходящие на Землю из Космоса и составляют первичную компоненту космических лучей. Воздушный океан препятствует прохождению действия первичных лучей => они претерпевают неупругие соударения с атомами верхних слоев атмосферы => образуются вторичные космические лучи, они обнаруживают не элементарные микрочастицы. Вторичные космические лучи делятся на 2-е компоненты: 1) мягкая компонента – каскад электрон-позитронных пар; γ-квант образующийся в результате ядерных превращений в верхних или средних слоях атмосферы или ри торможении быстрого электрона образует электрон-позитронную пару, которая порождает новые γ-кванты и т.д.
Жесткая компонента – обладает большой проникающей
способностью, состоит из мюмезонов, они пронизают пионы
© HTTP://KARATEL.NM.RU
|
|
|
|
Скачать 1.6 Mb.