Радиоактивность. 2

Содержание                                  

 Введение

  Радиоактивность

  Первая ядерная реакция

  Состав атомного ядра

  Размеры ядра

  Ядерные реакции

  Деление ядер

  Заключение 

  Используемая литература

 Введение                                

Ядерная физика раздел физики, посвященный изучению структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций. Придавая этому термину более общий смысл, к ядерной физики часто относят также физику элементарных частиц. Иногда разделами ядерной физики продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными ветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику. Исторически Ядерная физика возникла ещё до установления факта существования ядра атомного. Возраст ядерной физики можно исчислять со времени открытия радиоактивности. Канонизированного деления современной ядерной физики на более узкие области и

направления не существует. Обычно различают ядерную физику низких,

промежуточных и высоких энергий. К ядерной физике низких энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200 Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв -высокими. Это разграничение в значительной мере условно (особенно деление на промежуточные и высокие энергии) и сложилось в соответствии с историей развития ускорительной техники. В современной ядерной физике структуру ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного распада ядер.

Обширной составной частью ядерной физики низких энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодой областью ядерной физики является изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых ядер, так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом. Отдельное направление ядерной физики - изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами. Все эти разделы ядерной физики тесно переплетаются друг с другом и связаны общими целями.

В ядерной физике (как и во всей современной физике) существует резкое

разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств ядерной физики : ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы,

служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой. Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.Для теоретической ядерной физики характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической физики, квантовой теории поля. Центральная проблема теоретической ядерной физики - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям

(обратная  задача теории рассеяния и  её применения к решению нелинейных

уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и

экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано.Стоящие перед ядерной физикой проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Ядерная физика оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии,биологии, биофизики).

Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех направлениях:

1.      Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся  окружающая материя.

2.      Изучение сил, связывающих элементарные  составляющие материи.

3.      Описание движения частиц под  действием известных сил.

У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной.

Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мы знаем,что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства – это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из ." на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений.

Радиоактивность

Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными

составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра

связано с открытием в 1898 году А. Беккерелем радиоактивности. Это произошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал его существование.

Оказалось, что некоторые минералы естественного происхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы.

По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучение состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся друг от друга:

 Нейтрально      заряженных частиц - фотонов.

Отрицательно заряженных частиц- электронов.

Положительно заряженных частиц.

 Вначале  считалось, что обнаруженные излучения  испускаются атомом, и лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро. Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться радиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивного распада сыграли работы Пьера и Марии Кюри.

Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительно заряженных частиц в электрическом поле, Э. Резерфорд показал, что это частицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф. Астон построил первый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значения масс атомных ядер. Было доказано, что положительно заряженные частицы, обнаруженные при радиоактивном распаде ядер, являются ядрами атома гелия. Эти частицы были названы -частицами.

Первая ядерная реакция

В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию

-частиц на  различных мишенях, Э. Резерфорд  обнаружил, что при бомбардировке  ядер

азота -частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 раз больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер. Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой впервые были обнаружены протоны,

записывается в виде:

     14N + 17O + p

Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что Э.

Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались

сделать алхимики - превратить одно вещество в другое. Ядро азота превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция, осуществленная искусственно в лабораторных условиях.

В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными

частицами, входящими в состав атомного ядра.

Из чего состоит атомное ядро?

Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали, что массы всех исследованных атомов с точностью ~10% пропорциональны массе протона - M ~ Amp, где A принимает только целочисленные значения. Этот факт послужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. В этой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из A протонов и (A-Z) электронов. В этой модели легко объяснялись обнаруженная Астоном пропорциональность массы атомного ядра числу A и величина заряда атомного ядра. Однако, по мере накопления экспериментальных данных по массам атомных ядер,

магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модель ядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальных данных. Тем не менее, протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до 1932 года. Простейшая модель -распада была предложена в 1928 году Г. Гамовым и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном.

В этой модели предполагалось, что -частица постоянно существует в ядре. Вероятность -распада в основном определяется вероятностью прохождения -частиц через кулоновский потенциальный барьер.

В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия -частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающее излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь в 1932 г. Английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия нейтрона Д. Иваненко и В.  Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержала испытания временем и, как показывают

экспериментальнные наблюдения, в обычных условиях отклонения от

протонно-нейтронной модели, связанные с внутренней структурой нуклонов,

невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый радиус действия ~10-13 см.

Ядерные силы существенно превосходят силы электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают большую плотность вещества ядра ~10 14 г/см3. Этот новый тип взаимодействия, связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня мы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием сильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов. Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии - изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новая квантовая характеристика - изоспин.

С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшем удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых элементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов.

Размеры ядра

Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по рассеянию -частиц на легких ядрах дали основание предполагать, что плотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Это предположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах Р. Хофштатера по рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенных вблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядерной материи и электрического заряда

практически совпадают. Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены следующие закономерности.

Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова увсех ядер и      составляет ~ 0.17 нукл./Фм3 (см. рис.3). Толщина      поверхностного слоя (спад плотности от 0.9 0 до 0.1 0)у всех ядер примерно одинакова d = 4.4a = 2.4·Фм. Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов, R = 1.3A1/3 Фм.

Ядерные реакции

Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в такой важной ее области, как ядерные реакции. Однако после того, как Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию, до появления первой модели ядерной реакции прошло довольно много лет. -Частицы от радиоактивных источников могли эффективно преодолеть кулоновский

барьер только на самых легких ядрах. С появлением ускорителей ситуация

радикально изменилась, теперь можно было бомбардировать ядра не только -частицами. Повысились энергии и интенсивности пучков частиц.

Первая модель ядерной реакции появилась в 1935 году, это была модель

Оппенгеймера - Филлипса, предложенная для интерпретации реакции (d,p) при низких энергиях. Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгое время был связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая была предложена в 1936 году Н. Бором для объяснения резонансной структуры сечений захвата нейтронов и протонов низких энергий атомными ядрами.

Первое количественное описание реакции, идущей через компаунд-ядро, было получено Брейтом и Е. Вигнером в 1936 году.

Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила

феноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937 году. В 30-50-х годах на основе "первых принципов" развивалась формальная теория ядерных реакций. Различные варианты формальной теории не содержали конкретных физических предположений таких, например, как гипотеза независимости, и в принципе могли описывать различные механизмы ядерных реакций. Однако применение их для практических расчетов было связано с большими трудностями.Тем не менее развитые в этих работах подходы позволили глубже понять физические процессы, происходящих в ядре и были использованы при создании моделей.

К началу 50-х годов создание последовательной теории реакций, идущих через составное ядро, было в основном завершено. С помощью теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальных данных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав в ядро, должна поглотиться (модель "черного" ядра), т.е. одночастичное движение должно полностью затухнуть. Однако начали появляться экспериментальные данные, которые свидетельствовали, что одночастичное движение не затухает полностью.

Для описания усредненного поведения сечений Г. Фешбах, К. Портер и В.

Вайскопф в 1954 году предложили  оптическую модель, которая получила свое название из-за аналогии рассеяния частиц на ядре с прохождением света через полупрозрачную сферу. В оптической модели предполагается, что ядро может быть описано комплексной потенциальной ямой

U(r) = V(r) + iW(r), где мнимая часть W(r) описывает поглощение частиц падающего пучка. Успехи оптической модели в описании упругого рассеяния привели к пониманию механизма протекания прямых ядерных реакций, в принципе отличающегося от механизма протекания ядерных реакций через составное ядро. После появления в 1966 году пионерской работы Дж. Гриффина наметился экспоненциальный рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных так называемым предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессы делят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходит эволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы, связанные

с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми состояниями. Под

открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя бы один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых состояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи. В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был

открыт новый тип ядерных реакций - реакции глубоконеупругих передач.

Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями с легкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса - двойной ядерной системы. За счет кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой вязкости ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть кинетической

энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного движения падает до нуля. Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения ядер. Однако несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое, однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении минимума потенциальной энергии  системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и центробежные силы превосходят силы

притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая сила

невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть

передано значительное количество нуклонов.

Деление ядер

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.

Изучение взаимодействия нейтронов с веществом привело к открытию ядерных реакций нового типа. В 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман исследовали химические продукты, получающиеся при бомбардировке нейтронами ядер урана. Среди продуктов реакции был обнаружен барий - химический элемент с массой много меньше, чем масса урана. Задача была решена немецкими физиками Л. Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра на два осколка.

     92U + n 56Ba + 36Kr +kn, где k > 1.

При делении ядра урана тепловой нейтрон с энергией ~0.1 эВ освобождает

энергию ~200 МэВ. Существенным моментом является то, что этот процесс

сопровождается появлением нейтронов, способных вызывать деление других ядер урана – цепная реакция деления. Таким образом, один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер, причем число ядер, участвующих в реакции деления будет экспоненциально возрастать. Открылись перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях:

 управляемая      ядерная реакция деления – создание атомных реакторов;

неуправляемая      ядерная реакция деления – создание ядерного оружия.

 В 1942 году  под руководством Э. Ферми в  США был построен первый ядерный реактор. В СССР первый реактор был запущен в 1946 году под руководством И. Курчатова. В 1954 году в Обнинске начала работать первая в мире атомная электростанция. В настоящее время тепловая и электрическая энергия вырабатывается в сотнях ядерных реакторов, работающих в различных странах мира.

Используемая литература

1.      Э. Ферми "Ядерная физика",пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная

литература", 1951 г.

2.      В.Е. Левин "Ядерная физика",Москва, Атомиздат, 1985 г.

3.      А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик "Справочник по образованию

нуклидов в ядерных реакторах", Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.

4.      В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский

"Радиационные  характеристики облученного ядерного  топлива", справочник,

Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.