Элементы ядерной физики (стр. 1 из 2)

1 Элементы ядерной физики

1.1 Строение атомов, ядер

Как известно, все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических элементов. Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая частица химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и вращающихся вокруг электронов.

Кликните мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.

Ядра атомов образованы совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов мезонами, частицами меньшей массы.

Ядро элемента X обозначают как

или X-A, например уран U-235 -

где Z - заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A - массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.

Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами (например, уран имеет два изотопа U-235 и U-238); ядра при N=const, z=var - изобарами.

1.2 Ядерные реакции

Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра или иначе элементарные частицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могут взаимодействовать с ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицы могут захватываться ядрами, либо после столкновения - менять направление движения, отдавать ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакция без проникновения внуть ядра называется упругим рассеянием.

После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном состоянии. "Освободиться" от возбуждения ядро может несколькими способами - испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделиться на две неравные части. Соответственно конечным результатам различают реакции - захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.

Вероятность реакции характеризуется величиной "поперечного сечения" реакции данного типа

1.3 Радиоактивность

Радиоактивность вошла в сознание человечества всего лишь примерно 100 лет тому назад. Лишь в 1986 году А. Бекерель обнаружил некие х-лучи, засвечивавшие фотопластинки. Затем было установлено, что радиоактивность - это свойство испускать потоки заряженных aльфа, бета и нейтральных гамма частиц. Усилиями многих ученых было обнаружено,что aльфа-частицы представляют собой ядра гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-частицы - поток квантов света. Было установлено, что многие вещества являются естественными излучателями частиц, из которых некоторые, как например радий, оказались очень интенсивными источниками радиации.

Различные комбинации нуклонов в ядрах управляются законами ядерных взаимодействий, взаимное положение и движения внутри ядер определяется действием короткодействующих ядерных сил. Известно,что существует некоторая зависимость между числом протонов и нейтронов в ядрах, в рамках которой реализуется стабильность ядер. Эта зависимость для устойчивых ядер имеет вид:

Из этой формулы следует,что при малых массовых числах 1<A<10 число протонов, определяемое атомным номером - числом z, примерно равно числу нейтронов, а при больших массовых числах A>>10 число протонов растет как корень кубический из числа А. Отклонение от этой "линии устойчивости ядер ", избыток числа нуклонов приводит к тому, что ядра атомов претерпевают радиоактивные превращения стремясь уменьшить степень отклонения и перейти к более стабильной конфигурации нуклонов.

Различные виды радиоактивных превращений можно описать:

,
где X^* - составное ядро, A=A₁+A₂, Z=Z₁+Z₂, E - выделенная энергия.

Дочерние продукты радиоактивных процессов могут также претерпевать распад - так возникают цепочки радиоактивных превращений. Важной разновидностью радиоактивных превращений является т.н. спонтанное деление тяжелых ядер, открытое Флеровым и Петржаком в 1942 году. Радиоактивный распад это процесс статистический, т.е. управляемый вероятностными законамиi. Однако, в среднем, за времена большие времен характерных внутренних процессов - это вполне детерминированное явление. Так, можно записать уравнение радиоактивного распада, имеющее вид

или

где А_i- число ядер изотопа А_i в единице обьема,

- константа радиоактивного распада изотопа А_i.

Величина

определяет другую, часто используемую характеристику радиоактивного распада изотопов - период полураспада T_1/2:

время в течение которого количество вещества за счет радиоактивного распада уменьшается в два раза.

Интенсивность радиоактивного распада измеряется в единицах, называемых "беккерель" (1 Бк = 1 распад / 1 сек). Важная единица интенсивного радиоактивного распада - кюри (1 кюри = 3,7*10¹⁰ Бк = 37 ГБк)

1.4 Деление ядер

Деление тяжелых ядер происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Это фундаментальное явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.

Кликните мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.

Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.

После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

Дифференциальное уравнение превращений осколков деления можно записать в виде:

где A_i - число ядер изотопа i в единице объема ,
Q(t) - число актов деления в единице объема в единицу времени в момент t,

- выход изотопов A_i в акте деления,

- константа радиоактивного распада изотопа A_i,

- плотность потока нейтронов,

- сечение поглощения нейтронов ядрами изотопа A_i ,

- константа перехода к-того изотопа в i-тый.

Для решения этой системы уравнений нужно задать начальные условия, знать схемы и константы всех радиоактивных переходов. Суммируя по группам изотопов, имеющих тот или иной тип радиоактивности, можно определить интенсивность радиоактивного распада в функции времени. В [3] представлены детали и результаты таких расчетов.

Наиболее значимые осколки деления - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr и др.

В Таблице 1 [ ] даны некоторые характеристики осколков деления

Таблица 1. Характеристики некоторых радионуклидов и продуктов деления урана-235

Имя нуклида	Период полураспада Е , дни	Выход при делении, %	Количество радиоактивности в реакторе мощностью 3412 МВт, работавшего три года, млн. кюри
Изотопы иода
иод-131	8,04	2,88	87
иод-132	0,095	4,30	130
иод-133	0,866	6,70	180
иод-135	0,276	6,55	170
Благородные газы
криптон-85	3,95	1,30	0,66
криптон-85м	0,187	1,30	32
криптон-87	0,053	2,56	57
криптон-88	0,119	3,64	77
ксенон-133	5,25	6,7	180
ксенон-135	0,378	6,55	38
Изотопы цезия
цезий-134	753	7,81	13
цезий-137	11000	6,23	6,5
Другие осколки деления
стронций-90	10300	5,94

Для многих задач определенный интерес представляют данные об активности топливных элементов после некоторой выдержки их вне реактора.