Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 317

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

§ 217. Ядерные реакции

Опытные данные о ядерных реакциях весьма значительны. Число изученных ядерных реакций достигает нескольких тысяч.

В настоящее время известны следующие типы реакций (не говоря о радиоактивном распаде, который можно рассматривать как реак­ цию ядерного разложения): реакция захвата, заключающаяся в объединении двух встретившихся частиц; реакция обмена, заклю­ чающаяся в захвате одной частицы и выбрасывании другой; реак­ ция деления или расщепления ядра под воздействием энергии, по­ лученной ядром в той или иной форме. Ядерные реакции, происхо­

дящие под действием жестких 7-лучей, называют

фотоядерными.

При помощи ядерных реакций можно получить

как стабильные

естественные изотопы элементов, так и неустойчивые радиоактивные изотопы, не встречающиеся в природе. Среди последних удалось синтезировать элементы, вообще не имеющие стабильных изотопов (например, элемент с порядковым номером 43 — технеций), а также трансурановые элементы.

Особенно внимательно изучались реакции, происходящие при бомбардировке ядер различных элементов а-частицами, протонами и нейтронами.

При соударении а-частицы с ядром происходят наиболее часто реакции двух типов: первая состоит в захвате а-частицы и выбрасы­ вании протона (р), вторая — в захвате а-частицы и выбрасывании нейтрона (п). Эти реакции обозначают символами (а, р) и (а, п).

Уравнение (а, р)-реакции имеет вид

2 Э л * Ч 2 а * — z + 1 3 ^ + » + l P * .

Уравнение (а, п)-реакции имеет вид

 

 

 

Приведем примеры реакций а-частиц:

 

 

 

(а,

р): 77V1* + ? a * - . s 0 1 '

+ 1 p 1

;

 

1 3 A P + 2 a ^ 1 4 S i 3 « + l

P

i ;

(а,

п ^ В е ^ + . а ^ е С ^

+ о П 1

;

5 в п г « 4 - Д Ч о П ' .

Первая из указанных реакций (а, п) имеет большое практическое значение: смесь радия (источник a-частиц) с бериллием является употребительным источником нейтронов.

При соударении с протонами удается осуществить широкий класс

реакций;

сюда

относятся реакции (р, а), т. е. захват

протона с

последующим

выбрасыванием a-частицы, например

 

 

 

9 Fi9 +

l p i ^ 8 0 i e

+ 2He*,

 

а также

реакции с выбрасыванием нейтронов (р, п).

 

Известны реакции захвата, не сопровождающиеся выбрасы­

ванием

частицы. Избыток

энергии

выделяется при

этом в виде

<\>-лучей; поэтому такие реакции обозначаются (р, у), например 3 L r + l P ^ 4 B e 8 .

Широко изучались реакции с дейтонами (D). Наблюдаются реак­ ции (D, р) и (D, п). При бомбардировке дейтонами тяжелого водо­ рода (т. е. опять-таки дейтонов) наблюдаются реакции образова­ ния радиоактивного изотопа водорода — трития:

Однако реакция частично идет и по схеме (d, п): i D ' 2 + 1 D ^ 2 H e 3 + 0 ni.

Реакции с нейтронами играют очень большую роль в ядерной тех­ нике по той причине, что они интенсивно протекают внутри ядер­ ного реактора. Имеют место реакции (п, а); (п, р); (п, 2п) и (п, у). Кроме того, под действием нейтронов происходит реакция деления тяжелых ядер (см. ниже).

Азот дает с нейтронами реакции двух типов:

(п, p ) : 7 N " +

„п1

— , C »

+

l P i ;

(n,

2n): 7 N1 * + 0

n 1 - ^ 7 N 1 3

+

20 n1 .

Первая из этих

реакций дает

долгоживущий изотоп углерода

(с периодом больше 5000 лет), играющий большую роль в биохими­ ческих исследованиях.

Почти все изотопы способны захватывать нейтрон (реакция (п, у)), образуя, таким образом, изотоп того же элемента с массой на еди­ ницу больше. Обычно возникают радиоактивные изотопы и притом обладающие |3-радиоактивностью.

Как и в химии молекул, в ядерной химии возможно протекание экзотермических и эндотермических реакций. Определение вели­ чины и знака теплового эффекта реакций может быть проведено

при помощи закона эквивалентности массы и энергии.

 

Если из ядер с массами Мх

и М2 образуются ядра с массами

М3

и Mit

то

 

 

 

Mt 4- М2

= М3 4- Mt 4- Am.

 

Если A m > 0 , т. е. ядра

продуктов реакции имеют меньшую

массу,

чем исходные ядра, то реакция экзотермична. При Д т <

0

реакция эндотермична. Выделяющуюся или поглощаемую при ре­ акции энергию подсчитывают по формуле <£=с2Am. Результаты рас­ четов всегда безукоризненно точно совпадают с измерениями.

Для большинства ядерных реакций значения тепловых эффектов составляют мегаэлектрон-вольты (в расчете на пару реагирующих ядер). Это в миллионы раз больше соответствующих величин для химических реакций.

Пример расчета;

«Ве' + іР1 - + 3 L i e + 2 a*.

Из справочных таблиц

берем значения масс: /яве=9,01464; w p = 1,00807; ти =

=6,01671;

ота=4,00372.

Отсюда Дт=0,00227,

т. е. Л т > 0 , следовательно, реак­

ция экзотермична. Так как единица

атомного

веса соответствует 931,8 МэВ, то

величина

теплового эффекта равна 0,00227-931,8=2,12 МэВ или примерно 8х

Х І 0 - 1 4 кал (1 МэВ=3,827-Ю-1 4 кал).

 

 

 

§ 217а. Реакции деления тяжелых ядер

 

Ядра

атомов, более тяжелые, чем ядра атомов олова,

способны

делиться

на две части, близкие

по массе. Дл я того чтобы произошло

деление,

ядру надо

сообщить

значительную энергию

активации,

уменьшающуюся с увеличением массового числа изотопа. Дл я ядер урана, тория, палладия эта энергия близка к 5 МэВ. Реакция деления этих ядер экзотермична; выделяющаяся энергия значи­ тельно больше энергии активации.

Деление может быть вызвано протонами, дейтонами, а-части- цами и у-излучением. Однако особое практическое значение имеет деление, происходящее при попадании в тяжелое ядро нейтрона.

Рассмотрим деление под действием нейтронов изотопа урана-235. При захвате нейтрона образуется изотоп с массой на единицу больше:

9 2 U 2 3 5 + 0 ni — 9 2 U2 3 «.

Деление произойдет в том случае, если энергия активации деления 1Рз в меньше энергии, доставленной нейтроном. Захваченный нейт­ рон приносит ядру энергию, равную энергии связи плюс кинетиче­ ская энергия его движения. В случае U 2 3 5 энергия, доставленная даже нейтроном, движущимся с тепловой скоростью, достаточна для производства деления.

Для

деления

ядер

U 2 3 8 нужна большая энергия, и ядра этого

изотопа

делятся

лишь

под действием быстрых нейтронов.

Деление ядер

U 2 3 8

происходит на два различных осколка. Ядро

делится произвольным образом и дает различные первичные про­ дукты. Кривая выхода осколков деления урана-235 в зависимости от их массы дана на рис. 244. Как видно из кривой, наименее ве­ роятен случай деления пополам. Чаще всего массы осколков отно­

сятся примерно как 2 к 3, скажем

Sr9 5 и Хе 1 3 8 . Эти ядра обладают

огромными энергиями: легкое —

порядка 100 МэВ, тяжелое —

около 65 МэВ. Многообразие продуктов деления объясняется не только различными вариантами расщепления ядра на части, но и тем, что возникшие радиоактивные ядра-осколки, распадаясь, создают еще ряд продуктов.

Ядра, образовавшиеся при делении, обладают ненормально большим количеством нейтронов. Путем цепочки превращений ра­ диоактивные ядра переходят в нормальное стабильное состояние. Например,

30 сек.

3,4 мин

33 года

Под стрелками указаны времена полураспада. Ясно, что по времени распада практическим продуктом этой цепи превращений является лишь Cs1 3 7 .

Среди наиболее важных продуктов деления урана-235, кроме Cs1 3 7 , можно назвать стронций-90 (см. ниже).

Рис. 244.

Деление ядра урана-235 сопровождается выделением огромной энергии: 1 г урана дает столько же энергии, сколько получается' при сжигании 2,5 т угля, т. е. 22 ООО кВт-ч. Основная доля энер­ гии выделяется в виде кинетической энергии осколков деления; примерно 10% энергии приходится на излучение.

§ 2176. Цепная реакция

Реакция, происходящая с ураном-235, известна в деталях. Уран-235 является единственным естественным изотопом, позво­ ляющим осуществить выделение энергии в промышленных количе­ ствах.

Так как для реакции деления нужны нейтроны, а нейтронного газа в природе не существует, то выделение энергии в больших

количествах может быть осуществлено лишь при одном условии — образовании цепной реакции, в процессе которой непрерывно созда­ вались бы новые нейтроны. Именно так и происходит деление ядер урана-235. При каждом делении освобождается несколько нейтро­ нов; при этом число выбрасываемых нейтронов может быть различ­ ным. В среднем на одно деление приходится 2,5 нейтрона. Если нейт­ роны, образующиеся при делении одного ядра, будут способны де­ лить ядра других атомов урана, то цепная реакция осуществится.

Так как нейтроны имеют значительную длину свободного про­ бега, то образовавшиеся при делении ядра урана-235 нейтроны имеют большие шансы покинуть вещество, не произведя деления других ядер. Кроме того, следует учесть, что не всякая встреча нейтрона с ядром урана-235 приведет к делению.

Развитие цепной реакции зависит от коэффициента размноже­ ния нейтронов. Теоретически можно рассчитать значение этого коэффициента Ко Для случая системы бесконечно больших разме­ ров. Для расчета надо иметь сведения о размножении числа нейт­ ронов за счет деления на медленных и быстрых нейтронах, а также о вероятностях захвата нейтронов ядрами неделящихся веществ.

Значение коэффициента Ко, большее единицы, указывает, на­ сколько следующее поколение нейтронов многочисленнее предыду­ щего.

Однако реактор имеет конечные размеры. Поэтому коэффициент размножения нейтронов для реактора должен быть записан в виде /С=/Со (1 — Р ) > где р — вероятность вылета нейтрона за пределы реактора. Чтобы реактор начал работать, необходимо, чтобы коэффициент К был больше единицы. Во время работы реактора коэффициент размножения К должен в точности равняться еди­ нице.

Размеры системы, содержащей ядерное горючее, называются кри­ тическими, если коэффициент размножения для нее равен единице.

Можно регулировать коэффициент размножения на основе сле­ дующих соображений. Вероятность встречи нейтрона с другим яд­ ром до вылета из вещества можно увеличивать, собирая вместе большие количества ядерного горючего. Необходимо также довести до минимума число атомных ядер, обладающих способностью пог­ лощать и, таким образом, выводить из реакции нейтроны. Увели­ чение вероятности захвата может быть достигнуто за счет замедле­ ния нейтронов. При делении из ядра вылетают быстрые нейтроны, в то время как ядро урана-235 лучше всего захватывает медленные, так называемые тепловые нейтроны.

Особенность урана-235 заключается в том, что его ядра делятся

как под действием быстрых (хотя и с меньшей

вероятностью), так

и под действием медленных нейтронов. Если

ядра какого-либо

вещества делятся под действием одних лишь быстрых нейтронов, то осуществление с ними цепной реакции становится невозможным: нейтрон, вышедший из разделившегося ядра и испытавший не­ значительное замедление благодаря одному-двум случайным,

Смотрите также файлы