Характеристики и свойства реакций

Ядерные реакции

Характеристики и свойства реакций

23.4.1.1.Способы описания реакций

Взаимодействие атомного Я ядра и частицы записывают в виде:

или ,

где и - взаимодействующие частицы, и - продукты реакции.

 

Характеристики ядерных реакций

Рис.23.4.

1.Эффективное поперечное сечение реакции позволяет найти количество частиц dN из ортогонально падающего на вещество потока, которые в единицу времени вступают в реакцию с Я вещества (Рис.23.4).

dN ~ числу N падающих частиц, концентрации Я n и толщине dx вещества

dN=σNndx, (23.9)

где σ- коэффициент пропорциональности, который называют эффективным поперечным сечением.

Решая это уравнение, найдем текущее значение потока

, (23.10)

где - поток, падающий на пластину.

Из из (23.9) можнонайти эффективное сечение

.

Единица измерения - барн.

[ ]=1 барн =10 м .

Эффективное сечениеЯ может быть как больше, так и меньше его геометрического сечения.

Энергетический выход реакции.

Запишем закон сохранения энергии для ядерной реакции :

, (23.1)

где и - энергии покоя частиц, вступающих в реакцию, - их суммарная кинетическая энергия;

и - энергии покоя частиц – продуктов реакции, - их суммарная кинетическая энергия.

Величина

называется энергетическим выходом реакции. Из (23.1):

(23.2а)

или, если выразить массы в а.е.м., то

931,5МэВ (23.2б)

Если , то реакция экзоэнергетическая.

Если , то реакция эндоэнергетическая.

 

Модели ядерных реакций

Для описания процессов в Я используют различные модели. Наиболее распространены:

1) модель прямой реакции -применяется при малом времени протекания реакции, близком к характерному яд. времени – времени пролета нейтрона через Я с. Прямые реакции идут преимущественно при высоких энергиях ( >>10Мэв).

2) модель реакции с промежуточным ядром применяется при большом времени реакции, существенно превышающем : . Можно предположить, что в этом случае налетающая частица взаимодействует со всеми нуклонами Я ядра, ее энергия перераспределяется между всеми нуклонами. Эти реакции преобладают при низких энергиях взаимодействия частиц и протекают в два этапа:

- частица захватывается Я ядром и образуется промежуточное или составное (“компаунд”) возбужденное Я П.

- на втором этапе промежуточное Я распадается, выделяя одну или несколько частиц и - квант:

.

 

Виды ядерных реакций

В зависимости от налетающих частиц различают реакции под действием:

1) тяжелых заряженных частиц (; -частиц, ионов)

2) γ- квантов (фотоядерные реакции) или электронов с высокой энергией;

3) нейтронов.

1)В реакциях под действием тяжелых заряженных частиц обычно основную роль играет сильное взаимодействие.

При сближении с Я до 10 м (действие ядерных сил) положительно заряженные частицы должны преодолеть электростатическое отталкивание.

Для этого они должны располагать достаточной кинетической энергией, от величины которой зависит эффективное сечение реакции.

Продуктами реакции обычно являются Я ядра атомов и частицы.

Например, нейтрон был открыт в реакции .

2)γ- кванты и быстрые электроны участвуют только в реакцияхс электромагнитным взаимодействием.

3)Нейтроны участвуют только в реакциях с сильным взаимодействием.

Проходя через вещество, нейтроны участвуют в различных процессах:

- упругого рассеяния ,

- радиационного захвата(n,γ)σ_захв≡σ_рад,

- деления и др.

Характер процесса зависит от энергии нейтрона.

Различают:

- быстрые нейтроны с ;

- промежуточные нейтроны и медленные с ;

- тепловые - нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии со средой; при , ;

Быстрые нейтроны, сталкиваясь с Я, обычно не вызывают распада Я.Их столкновение с Я происходит преимущественно упруго.

При столкновении нейтроны замедляются.

, (23.11)

замедление тем больше, чем легче Я, с которым сталкивается нейтрон.

С уменьшением скорости нейтрона возрастает вероятность того, что соударение будет неупругим и произойдет реакция деления Я.

В резонансной области энергий нейтронов наблюдаются резкие возрастания (пики) сечения (рис.23.8). Это объясняется совпадением энергии нейтрона с энергией перехода между квантовыми состояниями Я. В этой области преобладают захваты Я нейтронов, не приводящие к яд. реакции.

Реакции деления ядер

Захват частицы Я сопровождается передачей Я энергии . Это может быть энергия связи частицы с Я , кинетическая энергия , электромагнитная энергия кванта. Я

Если W_а>W_акт=U₀ - Q, то Я делятся.

Обычно реакция деления происходит с тяжелымиЯ, начиная с тория (.

Реакция с быстрыми частицами менее вероятна, чем с медленными, так как время пребывания быстрой частицы около Я меньше. Наиболее распространены реакции под действием нейтронов, для которых отсутствует потенциальный барьер.

Под действием нейтронов

1.При делении обычно образуются два более легких Я, называемых осколками деления, и несколько нейтронов.

2. Реакция может происходить различными способами, которые называются каналами реакции. Их число велико, например:

n, (*)

или

.

Наиболее вероятны массовые числа осколков 90…100 и 130…150 (рис.23.10).

3. Часть избыточных нейтронов выделяется во время реакции. Эти нейтроны называют мгновенными. Мгновенные нейтроныв основном быстрые; их энергетический спектр сплошной, с распределением, близким к максвелловскому. (Рис.23.12).

4. Другая часть избыточных нейтронов остается в осколках, поэтому осколки всегда пересыщены нейтронами (например, ядра и имеют стабильные изотопы, и ) и являются р/а. Поэтому осколки претерпевают цепочки - распадов.

При превращении осколка излучаются нейтроны с запаздыванием от 0,1с до 60с; их называют запаздывающими.

5.В одном акте деления выделяется большое количество энергии. При делении одного Я выделяется энергия ~ 200 МэВ, большая часть которой приходится на энергию осколков, а оставшаяся часть принадлежит мгновенным нейтронам, электронам, -квантам и антинейтрино.

В 1г урана при делении всех Я ядер выделится 8 10¹⁰ Дж=2,2 10⁴кВт часов (в 1г бензина при сгорании выделяется 4,4 10⁴ Дж).

 

Ядерные реакции

Характеристики и свойства реакций

23.4.1.1.Способы описания реакций

Взаимодействие атомного Я ядра и частицы записывают в виде:

или ,

где и - взаимодействующие частицы, и - продукты реакции.