Реакции под действием нейтронов

Большая вероятность ядерных реакций имеет место при действии на вещество нейтронов. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны проходят через электронные оболочки без потери энергии, поэтому, даже обладая весьма малой энергией, они могут проникать в ядра. Сталкиваясь с ядрами, они чаще вызывают ядерные реакции. Эффективные сечения реакций обычно возрастают при уменьшении энергии нейтронов. Это можно объяснить следующим образом. Поскольку между протонами и нейтронами существуют силы взаимного притяжения (ядерные силы), действующие на расстоянии 10^–14¸10^–15м, то быстро летящий нейтрон «проскочит» мимо ядра – протоны не успеют втянуть его в ядро. Чем медленнее движется нейтрон, тем больше времени он находится под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче он захватывается им. Поэтому поток нейтронов для осуществления реакции стараются замедлить до скоростей теплового движения.

Интересна реакция , которая постоянно протекает в атмосфере под действием нейтронов, образуемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, потому что он радиоактивен. Его период полураспада равен лет. Радиоуглерод усваивается при фотосинтезе растениями и участвует в круговороте веществ в природе. Количество возникающих в атмосфере в единицу времени ядер радиоуглерода в среднем остается постоянным. Количество распадающихся ядер пропорционально числу имеющихся в наличии ядер. Так как период полураспада очень велик, устанавливается равновесная концентрация ядер в обычном углероде.

Специальные исследования показали, что вследствие действия ветров и океанских течений равновесная концентрация радиоуглерода в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно распадам в минуту на каждый грамм углерода. Пока органическое вещество живет, убыль в нем радиоуглерода восполняется за счет участия в круговороте веществ в природе. В момент смерти организма процесс усвоения сразу же прекращается, и концентрация радиоуглерода в обычном углероде начинает убывать по закону радиоактивного распада. Следовательно, измерив концентрацию радиоуглерода в останках организма (в древесине, костях и т. п.), можно определить дату их смерти или, как говорят, их возраст. Проверка этого метода на древних образцах, возраст которых точно установлен историческими методами, дала вполне удовлетворительные результаты.

В 1939 г. была открыта реакция деления ядер урана под действием нейтронов, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Природный уран состоит из смеси трех изотопов: Основной интерес представляет реакция деления урана под действием медленных нейтронов, потому что простое поглощение нейтронов этим изотопом маловероятно (в отличие от ). Поглотив нейтрон, ядро урана распадается на две части, при этом вылетают два–три нейтрона с высокой энергией. Ядра новых элементов, образующихся в результате деления, получают энергию каждый.

Пример 3. Сколько энергии можно получить при расщеплении урана массой , если при расщеплении каждого ядра урана выделяется энергия

Решение. Масса изотопа урана равна (см. приложение 1):

 

.

 

Отсюда следует, что в урана содержится атомов. Значит, при расщеплении урана выделится энергия .

Цепная реакция

Особенностью реакции деления ядра урана является то, что она может принимать цепной характер. Цепной называется такая реакция, продукты которой способствуют ее дальнейшему распространению. Цепная реакция в зависимости от условий может быть затухающей или нарастающей. Во втором случае она может иметь характер взрыва. Цепной характер реакции деления ядра урана обусловливается тем, что при делении каждого ядра выбрасывается от 1 до 3 нейтронов, которые, попадая в соседние атомы, могут вызвать их деление. Однако нейтроны могут и не попасть в соседние ядра и выйти за пределы вещества. Вероятность столкновений нейтронов с ядрами повышается с увеличением массы вещества. Поэтому существует критическая масса урана, при которой цепная реакция становится нарастающей. Для тела в виде шара эта масса равна ~10 кг.

Нарастающая цепная реакция деления ядер урана используется в устройстве атомной бомбы (рис. 5.2.1).

 

 

Рис. 5.2.1

 

В металлическом корпусе К на некотором расстоянии расположены два урановых заряда У. Каждый из них имеет массу, меньшую критической. Заряды окружены оболочкой О из бериллия, отражающего нейтроны. Приведение бомбы в действие производится при помощи заряда взрывчатого вещества З, который, взрываясь в нужный момент, соединяет урановые заряды в одну общую массу. Время взрыва – миллионные доли секунды, температура ~ ,давление ~ .

Можно осуществить и управляемую цепную реакцию деления ядер урана . Для этого необходимо регулировать количество нейтронов, которые, освободившись при делении ядер, могут вызвать деление ядер соседних атомов. Для этого применяют искусственное поглощение нейтронов веществами, помещенными для этой цели внутрь массы урана . Поглотителями нейтронов служат кадмий, карбид бора и др.

Однако получение энергии для промышленных целей посредством управляемой реакции деления ядер урана экономически невыгодно, так как в природном уране его мало. Необходимо использовать в качестве «горючего» уран , который составляет основную массу природного урана. Ядро урана способно к делению только под действием нейтронов с высокой энергией (2 – 3 МэВ). (Медленные нейтроны поглощаются ядром , превращая его в радиоактивный изотоп , который, испуская электрон, превращается в новые элементы: изотопы нептуния и плутония. Плутоний обладает способностью к делению, как и уран .)

Большое количество нейтронов с высокой энергией получить затруднительно, поэтому ученые пошли другим путем: стали использовать замедление быстрых вторичных нейтронов до скоростей теплового движения. Замедленные нейтроны лучше поглощаются ураном , чем ураном . В этом случае становится возможной незатухающая реакция с природным ураном, в котором имеется . Для этого тонкие стержни из природного урана помещают в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 5.2.2), в качестве которого используются вещества, слабо поглощающие нейтроны (графит, тяжелая вода, бериллий). Если в одном стержне произошло деление ядра урана, то быстрые вторичные нейтроны влетят в замедлитель, где замедлятся до тепловых скоростей. В таком состоянии они скорей всего поглотятся ураном , нежели ураном , и вызовут новые деления ядер.

Для регулирования реакции в нескольких местах замедлителя вставляются подвижные стержни Н из поглотителя нейтронов, которые прекращают реакцию. Для пуска блока стержни Н следует выдвинуть.

 

Рис. 5.2.2

 

Энергия, вырабатываемая в урановых стержнях, является главным образом кинетической энергией осколков, которая при соударении осколков с окружающими частицами превращается в тепловую. Урановые стержни разогреваются до 500–600°С. Урановые стержни – полые. По ним циркулирует охлаждающая жидкость (например, вода под давлением с температурой кипения 309°С). Охлаждающая жидкость отводится в парообразователь для дальнейшего использования тепла. Таков принцип работы атомного реактора.

 

Термоядерные реакции

Несколько слов о термоядерных реакциях. Общая внутренняя и потенциальная энергия свободных частиц больше, чем энергия этих же частиц в условиях, когда они образуют ядро атома, т. е. когда они связаны ядерными силами. Разность между этими силами называется энергией связи ядра и численно равна работе, которую надо совершить внешними силами, чтобы разъединить эти частицы, т. е. разрушить ядро. Эта работа переходит в потенциальную энергию свободных частиц, поэтому их общая энергия больше. Отсюда следует, что при образовании ядра атома из свободных частиц – протонов и нейтронов – или при укрупнении ядер легких элементов должна выделиться энергия связи, очень значительная по величине.

Однако для осуществления подобной реакции следует предварительно, преодолевая силы электростатического отталкивания между протонами, сблизить их на расстояние действия ядерных сил. Чтобы преодолеть кулоновское отталкивание, ядра с порядковыми номерами и должны обладать энергией , где – радиус действия ядерных сил. Даже для самых легких ядер () эта энергия составляет примерно . На долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина этой величины. Средней энергии теплового движения, равной , соответствует температура . Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Поэтому некоторые термоядерные реакции могут протекать с заметной интенсивностью уже при температурах порядка .

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого водорода). Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура . Реакция синтеза дейтерия и трития:

 

 

сопровождается выделением энергии , что составляет примерно на нуклон. Для сравнения: при делении ядра урана высвобождается примерно на нуклон.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций нужно создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка . При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. Но соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. Советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Высокую температуру в плазме получают, пропуская через нее очень сильный электрический ток. Магнитное поле этого тока сжимает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок канала. Действительно, как следует из рис. 5.2.3, лоренцева сила , действующая на любой движущийся вдоль плазменного шнура заряд, имеет направление к оси шнура. Чтобы избежать необходимости удерживать плазму от соприкосновения с концами канала, применяли разрядные трубки в виде тороида.

 

 

Рис. 5.2.3

 

К сожалению, плазменный шнур оказался очень неустойчивым, и пока удается удерживать плазму от соприкосновения со стенками разрядной трубки в течение очень короткого времени. Достигнутые таким путем температуры (порядка ) также недостаточны для возникновения реакции синтеза.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии, поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.

Пример 4. Определить энергию, выделяющуюся при образовании из протонов и нейтронов гелия массой .

Решение. Реакция образования гелия из протонов и нейтронов записывается в виде: . Для вычисления энергии реакции имеем:

 

 

Здесь – массы протона, нейтрона и атома гелия. Вычисленная энергия выделяется при образовании одного атома гелия. Масса одного атома гелия равна

 

.

Здесь – атомная единица массы. Значит, в гелия содержится атомов. Отсюда следует, что энергия, выделяемая при синтезе гелия из протонов и нейтронов, будет равна:

 

.

 

 

Элементарные частицы

 

Космическое излучение

Из космического пространства на Землю непрерывно падает поток атомных ядер (в основном протонов) с высокой энергией (до ). Это так называемое первичное космическое излучение. В результате взаимодействия этого излучения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы образуется вторичное излучение, в котором встречаются все известные в настоящее время элементарные частицы. На высотах ниже космические лучи практически полностью носят вторичный характер.

В составе вторичного излучения выделяют два компонента: мягкий и жесткий. Первый сильно поглощается свинцом, второй обладает в свинце очень высокой проникающей способностью.

Мягкий компонент представляет собой каскад (или ливень) электронно-позитронных пар. Возникший в результате ядерного превращения или резкого торможения быстрого электрона g -фотон, взаимодействуя с атомными ядрами в атмосфере, превращается в электронно-позитронную пар: . Образовавшиеся электрон и позитрон в результате торможения создают g -кванты и т. д. до тех пор, пока энергии g -квантов будет хватать на создание электронно-позитронных пар.

Жесткий компонент вторичного излучения состоит в основном из частиц с массой, равной ( масса электрона). Эти частицы были названы m-мезонами (или мюонами). Существуют положительные () и отрицательные () мюоны; их заряд равен элементарному заряду . Это нестабильные частицы: через самораспадаются по схемам:

 

; .

 

Здесь и – электронные нейтрино и антинейтрино; и – мюонные нейтрино и антинейтрино. Мюоны с ядрами взаимодействуют слабо.

Из-за своей ядерной неактивности и неустойчивости мюоны не могут быть носителями ядерного взаимодействия. Это заставило ученых предположить существование ядерно-активных частиц, распад которых приводил бы к появлению мюонов. Такие частицы были обнаружены в космическом излучении и названы мезонами. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К их числу принадлежат p -мезоны ( – мезон с зарядом ; – мезон с зарядом ; p⁰ -мезон нейтральный) и K -мезоны (). Время жизни K -мезонов примерно . Эта частица распадается на – мезоны имюоны. Заряженные p -мезоны распадаются на мюоны и нейтрино; p⁰ -мезон распадается преимущественно с образованием g -фотонов: ; ; . p -мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.