Энергия реакции определяется разностью масс, выраженной в энергетических единицах, исходных и конечных ядер.

Если сумма масс новых ядер, образующихся при ядерной реакции, больше суммы масс исходных частиц, то реакция идет с поглощением энергии. При этом энергия реакции считается отрицательной.

Если же общая масса частиц после реакции меньше общей массы частиц до реакции, то при реакции энергия выделяется, и она считается положительной.

.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 году. Исследуя прохождение - частиц через газообразный азот, он обнаружил, что некоторые частицы поглощались атомами азота с испусканием протона и образованием ядра изотопа кислорода.

Экспериментально установлено, что при любой ядерной реакции выполняются законы сохранения массы и заряда, а также законы сохранения энергии и импульса.

Физика ядерных реакций (искусственное получение ядер новых химических элементов) испытала резкий подъём в 30-х годах прошлого века благодаря работам Ферми, который показал, что нейтроны наиболее эффективны для инициирования ядерных реакций.

Обусловлено это тем, что нейтроны не имеют электрического заряда и им не надо преодолевать кулоновский барьер, что бы попасть в зону действия ядерных сил. В результате , вероятность того, что нейтрон попадет в ядро и вызовет ядерную реакцию значительно больше, чем для заряженных частиц, особенно при низких энергиях.В ядерной физике вероятность взаимодействия принято характеризовать физической величиной, называемой эффективным сечением взаимодействия или просто эффективным сечением .

Пусть поток частиц попадает в мишень настолько тонкую, что ядра атомов не перекрывают друг друга, Рис.52.

Будем считать ядра атомов и падающие частицы твердыми шариками, причем ядра имеют поперечное сечение , а падающие частицы поперечное сечение много меньше, чем у ядра ( ). В этом случае вероятность того, что частица заденет ядро будет равна: ,

где - поперечное сечение ядра, n – концентрация ядер, - толщина мишени.

Если на мишень падает N частиц, то с мишенью столкнуться только частиц

= =

Следовательно ,

где - число частиц взаимодействующих с ядрами.

В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами в продуктах реакции возникают ядра элементов примерно вдвое легче исходного ядра урана. Объяснение этому явлению было дано другими немецкими физиками, которые иммигрировали из нацистской Германии в Швейцарию, Лизой Мейтнер и Отто Фришем, которые предположили, что при поглощении нейтрона ядро урана распадается на два осколка. Новое явление было названо делением ядра.

Согласно капельной модели ядра, нейтрон передает поглотившему его ядру дополнительную энергию, подобно нагреву капли жидкости. При этом образуется изотоп урана . Избыточность энергии приводит к интенсивному движению отдельных нуклонов, в результате чего ядро сначала принимает вытянутую форму, Рис.54.

Рис.54

Из-за короткодействия ядерных сил такое ядро становится неустойчивым и кулоновское отталкивание протонов может привести к делению на две части (осколки деления).

При этом из ядра вылетают 2-3 нейтрона. Типичной реакцией деления является реакция с образованием бария и криптона:

При этом распаде выделяется энергия 200 МэВ на одно деление.

Выделившиеся при реакции нейтроны способны вызвать деления других ядер, что при превышении некоторой «критической массы» исследуемого образца может привести к «цепной реакции», что предсказывали Мейтнер и Фриш

Казалось бы, если при делении одного ядра испускается несколько нейтронов, то они должны вызвать новые деления, что обязательно приведет к «цепной реакции». Однако это не так. Нейтроны, испускаемые при делении , имеют энергию 2 МэВ, что соответствует скорости порядка м/с. Поэтому время между испусканием нейтрона и его новым захватом должно быть очень мало. В реальности большее количество нейтронов успевает покинуть зону реакции раньше, чем могут быть захвачены соседними атомами из-за конечности размеров самого образца и их большой проникающей способности.

Некоторые изотопы урана, например , могут делиться только под действием быстрых нейтронов, имеющих энергию 2 МэВ. Кроме того, на каждое ядро , способного делиться под действием тепловых нейтронов, приходится 140 ядер , которые такие нейтроны поглощают без деления. Поэтому самопроизвольная «цепная реакция» в природе маловероятна.

Итак, цепная реакция деления наблюдается в среде, в которой происходит размножение нейтронов. Такая среда называется активной средой. Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения k. Этот коэффициент равен отношению количества нейтронов в двух последующих поколениях. Если в первом поколении в среде имеется N нейтронов, то в n-ом поколении их будет .

При k < 1 (подкритический режим) число нейтронов со временем не растет, цепная реакция не развивается.

При k = 1 (критический режим) число делений в единицу времени в среде остается постоянным и цепная реакция протекает стационарно.

При k > 1 (надкритический режим) число нейтронов со временем растет по экспоненте, что соответствует неуправляемому ядерному взрыву.

Причиной уменьшения коэффициента размножения нейтронов является наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватывать нейтроны. Поэтому для увеличения коэффициента размножения необходимо увеличивать в активной среде долю ядер, способных к делению. Для этого природный уран обогащают изотопом . Еще одной причиной уменьшения k является выход нейтронов из активной зоны, имеющей конечные размеры. Размер активной зоны, при которой коэффициент размножения становится равным единице называется критическим, а масса делящегося вещества в этой зоне – критической массой.

Условия для протекания управляемой ядерной реакции (k = 1) реализуются в ядерных реакторах.

В таком реакторе управляемая цепная реакция может протекать в природном или слабо обогащенном изотопом уране, что достигается введением в реактор специального замедлителя. Это необходимо для увеличения эффективного сечения деления ядер урана и уменьшения сечения захвата ядрами урана при снижении энергии нейтронов.

В современных реакторах в качестве замедлителей чаще всего используются твердые графит или бериллий, жидкие – тяжелая вода.

В гомогенном реакторе тяжелая вода и слабо обогащенное делящееся вещество перемешены и составляют жидкую суспензию, которая заполняет ёмкость из нержавеющей стали, окруженную защитной оболочкой, и циркулирует через теплообменник, где нагревает и испаряет воду с системе с паровой турбиной.

В гетерогенном реакторе блоки урана и графита чередуются, образуя в пространстве правильную решетку. Урановый блок представляет собой кассету-стержень.

Рис. 55

Стационарный критический режим в реакторе регулируется управляющими стержнями, которые выполнены из материалов сильно поглощающих нейтроны (кадмий, бор).

Автоматика индикатора мощности вводит или выводит управляющие стержни для поддержания коэффициента размножения равным единице.

В случае внештатного режима аварийные стержни поглощающие нейтроны, автоматически сбрасываются в активную зону реактора.

Образование более тяжелого ядра при слиянии ядер легких атомов называется ядерным синтезом.

Процесс слияния атомных ядер также сопровождается выделением огромного количества энергии. Взаимодействующим ядрам, чтобы сблизиться до расстояний, позволяющих проявиться ядерному взаимодействию, надо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием. На что требуется большая энергия. Даже если в реакции будут участвовать изотопы самого легкого элемента –водорода, то теоретически на долю каждого из ядер должно приходиться порядка 0,35 МэВ, что соответствует температуре около К. Именно поэтому реакцию ядерного синтеза называют термоядерной реакцией. В реальности синтез может начаться при температурах на один-два порядка ниже. Это объясняется тем, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое количество ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние может произойти вследствие туннельного эффекта.

Типичной реакцией синтеза является реакция слияния изотопов водорода дейтерия и трития с образованием ядра атома гелия и одного нейтрона:

+17,6 МэВ

Требующийся для этой реакции тритий может быть получен из лития:

При этой реакции выделяется энергия равная 17,6 МэВ, что составляет около 3,5 МэВ на один нуклон. Для сравнения при делении ядра урана на один нуклон выделяется приблизительно 0,85 МэВ.

Синтез ядер водорода в ядра атома гелия является основным источником энергии Солнца и других звезд, температура в недрах которых достигает К.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру К. Но при такой температуре любое вещество становится полностью ионизированным, т.е. переходит в четвертое агрегатное состояние – плазму. Чтобы удержать плазму в заданном объеме без контакта с другим веществом А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в 1950 году предложили использовать магнитное поле. Силы, действующие на ядра в этом поле, заставляют их двигаться в ограниченном пространстве. Эффект отрыва плазменного шнура от стенок сосуда называется пин-эффектом. Но устойчивым этот эффект становится при температурах порядка К, что недостаточно для протекания термоядерной реакции. При температурах выше К плазменный шнур неустойчив, кроме того на его создание и поддержание уходит энергии больше, чем выделяется при кратковременной управляемой термоядерной реакции.

Другой способ осуществления управляемой термоядерной реакции связан с разогревом, сжатием и удержанием термоядерной мишени с помощью воздействия на неё мощных пучков лазерного излучения (Басов, Крохин 1962 г.)

Осуществление управляемого термоядерного синтеза могло бы дать человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. В 1956 в СССР была создана установка типа «токамак» (тороидальная камера с магнитными катушками), с помощью которой надеялись получить управляемую термоядерную реакцию. И до настоящего времени установки типа «токамак» являются наиболее перспективным направлением в проблеме создания термоядерного реактора.

Прохождение заряженных частиц ( - или ), а также рентгеновского и излучений через вещество приводит к ионизации атомов и молекул. Прохождение излучений через живую материю вызывает повреждение клеток и даже их гибель. Поэтому очень важно уметь определить количество или дозу проходящего излучения. Этим занимается дозиметрия – раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются физические величины, характеризующие распределение ионизирующего излучения (его поле) и его взаимодействие с веществом, которые могут быть сопоставлены с величиной радиационно-индуцированного эффекта в веществе. Такое сопоставление необходимо для предсказания последствий облучения в объектах живой и неживой природы, так и для исследования процессов, которые приводят к этим последствиям.

Эти величины называются дозиметрическими.

Мощность (интенсивность) источника излучений в заданный момент времени определяется его активностью ил числом распадов в единицу времени.

В системе СИ единицей активности радиоизотопа является беккерель, который составляет 1 распад в секунду. В системе СГС его аналог 1 Кюри = 3,70 расп./с.

Доза.

1 Рентген– количество рентгеновского или - излучения, при котором 1 кг воздуха поглощает энергию, равную 0,878 Дж. Применяется для определения дозы рентгеновского излучения.

1 Рад – это доза излучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1,00 Дж.

1 Грей – это энергия поглощаемая одним граммом вещества.

Однако одинаковые дозы излучений различного типа вызывают разную степень поражения живых тканей.

Так например, 1 рад - излучения причиняет в 10-20 раз больше повреждений живой материи, чем такая же доза - излучения. Это объясняется тем, что - частицы, будучи тяжелыми частицам, двигаются медленнее и производимая ими ионизация клеток оказывается более сильной.

Что бы учесть это вводится коэффициент качества или относительная биологическая эффективность данного типа излучений (ОБЭ), который определяется как доза в радах рентгеновского или - излучений, производящего такой же биологический эффект, что и 1 рад данного излучения.

-излучение ОБЭ =1

медленные нейтроны ОБЭ = 3

быстрые нейтроны ОБЭ < 10

- излучения ОБЭ < 20

Произведение дозы в радах на ОБЭ излучения называется бэр – биологический эквивалент рада.

Мы постоянно подвергаемся слабому облучению естественных радиоактивных источников, космических лучей, естественной радиоактивност горных пород и почвы, попадающих в пищу радиоактивных изотопов. Например сороковой изотоп Калия.

Естественный фон привычный и безопасный для человека для человека составляет в среднем около 0,13 бэр в год.

На рентгеновских установках при флюорографии мы получаем примерно 0,07 бэр в год, при этом интенсивность излучения примерно в один миллиард больше, чем естественный фон. Но при этом флюорография длится доли секунды, а естественный фон постоянен. В Москве он составляет 13-15 мкР/час.

Доза в 10 Грей убивает практически всех млекопитающхся, а вот энергия, соответствующая такой дозе, заключена в стакане горячего чая.

Когда через жвую клетку проходит радиоактивное излучение, оно повреждает в ней биологически важные молекулы, это молекулы ДНК - носители генной информации.

Разрыв молекулы может произойти непосредственно при взаимодействии с излучением – это прямое действие радиации. Но может повреждение получить другие молекулы клетки, например воды, их в клетке около 90%, в результате чего образуются свободные радикалы- агрессивные осколки молекулы. Именно они начинают атаковывать молекулы ДНК – это косвенное действие радиации, но именно на косвенное действие приходится 80-90% все повреждений, полученных клетками при облучении.

Существуют вещества способные перехватывать свободные радикалы – аксиданты. Это витамин Е, меланин.

ЛЕКЦИЯ 14

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

1. Виды взаимодействия и классы элементарных частиц.

2. Частицы и античастицы.

3. Кварки.

Элементарными называются мельчайшие частицы материи. Этот термин достаточно условен, так как не существует четкого критерия элементарности частиц. Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям.

К 1935 году все выглядело достаточно просто. Основными кирпичиками мироздания являлись три элементарные частицы, из которых состоит атом (протон, нейтрон и электрон) и еще позитрон, нейтрино и - квант.

Однако в последующие десятилетия были открыты сотни других субъядерных частиц.

Начало физики элементарных частиц было положено в 1935 году японским физиком Юкава Хидеки. Он предсказал существование новой частицы, которая являлась бы переносчиком ядерного (сильного взаимодействия).

Вспомним, что к настоящему времени науке известно четыре вида взаимодействий: