Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вопрос 1.Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число 727c21hh 089;лаЭ. Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мега электрон-вольт через тонкие пленки золота), пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Проанали╜зировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10√14 ≈ 10√15 м (линейные размеры атома примерно 10√10 м).Атомное ядро состоит из элементарных частиц ≈ протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко (р. 1904), а впоследствии развита В. Гейзенбергом).Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя тр=1,6726в10√27кг ╩ 1836 тe, где тe ≈ масса электрона. Нейтрон (n) ≈ нейтральная частица с массой покоя тп=1,6749в10√27кг ╩1839 тe. Протоны и нейтроны называют╜ся нуклонами (от лат. nucleus ≈ ядро). Общее чи 727c21hh 089;ло нуклонов в атомном ядре называ╜ется массовым числом А.Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z ≈ зарядовое чи 727c21hh 089;ло ядра, равное чи 727c21hh 089;лу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа 727c21hh 089;ла ядер от Z= 1 до Z= 107.Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х ≈ символ химического элемента, Z атомный номер (число протонов в ядре), А ≈ массовое число (число нуклонов в ядре).Сейчас протонно-нейтронная модель ядра не вызывает сомнений. Рассматривалась также гипотеза о протонно-электронном строении ядра, но она не выдержала экспериментальной проверки. Так, если придерживаться этой гипотезы, то массовое чи 727c21hh 089;ло А должно представлять собой число протонов в ядре, а разность между массовым числом и числом электронов должна быть равна зарядовому числу. Эта модель согласовывалась со значениями изотопных масс и зарядов, но противоречила значениям спинов и магнитных моментов ядер, энергии связи ядра и т. д. Кроме того, она оказалась несовместимой с соотношением неопределенностей (см. ╖ 215). В результате гипотеза о протонно-электронном строении ядра была отвергнута. Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т.е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри атомного электрического поля.Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A√Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z≈ изобарами Например, водород(Z=1) имеет три изотопа: Н≈протий (Z=1, N=0), Н≈дейтерий (Z=1, N=1), Н ≈ тритий (Z=1, N=2), олово≈десять, и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра Ве, В, С. В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим. Радиус ядра задается эмпирической формулой
═══════════════════════════════════════════════════════════════════ (251.1)где R0=(1,3╦1,7)10√15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность (из-за его неоднозначности, например из-за размытости гра╜ницы ядра). Из формулы (251.1) вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (╩1017 кг/м3).
Вопрос 2.Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.
При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.
При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших
Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.
Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой где Мя – масса ядра
Z – число протонов в ядре mp – масса покоя свободного протона N – число нейтронов в ядре mn – масса покоя свободного нейтрона
Уменьшение массы при образовании ядра означает, что при этом уменьшается энергия системы нуклонов.
Вопрос3. Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами. Перечислим основные свойства ядерных сил:1) ядерные силы являются силами притяжения;2) ядерные силы являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10–15 м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа Н) только при условии параллельной ориентации их спинов;6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел) не позволили до настоящего времени разработать единую последовательную теорию атомного ядра. Поэтому на данной стадии прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в которых ядро заменяется некоторой модельной системой, довольно хорошо описывающей только определенные свойства ядра и допускающей более или менее простую математическую трактовку. Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную и оболочечную.
Вопрос4 удалось выделить два новых элемента — носителя беккерелевского излучения: полоний Рo и радий Ra.Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением, а само явление — испускание радиоактивного излучения — радиоактивностью.Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивного излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра.В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.Радиоактивное излучение бывает трех типов: a-, b- и g-излучение. Подробное их исследование позволило выяснить природу и основные свойства.a-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). a-Излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд a-частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия Не. По отклонению a-частиц в электрическом и магнитном полях был определен их удельный заряд Q/ma , значение которого подтвердило правильность представлений об их природе.b-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у a-частиц. b-Излучение представляет собой поток быстрых электронов (это вытекает из определения их удельного заряда).Поглощение потока электронов с одинаковыми скоростями в однородном веществе подчиняется экспоненциальному закону N=N0e–m x, где N0 и N — число электронов на входе и выходе слоя вещества толщиной x, m — коэффициент поглощения. b-Излучение сильно рассеивается в веществе, поэтому m зависит не только от вещества, но и от размеров и формы тел, на которые b-излучение падает.g-Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. g-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l<10–10 м и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц — g-квантов
Вопрос5. Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро — дочерним Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:где l — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивныхядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и интегрируя:получимгде N0 — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N — число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (256.2) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т1/2 и среднее время жизни t радиоактивного ядра. Период полураспада Т1/2 — время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда, откудаПериоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN|=lNtdt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ¥) и разделив на начальное число ядер N0, получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:Таким образом, среднее время жизни t радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l.Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих сядрами образца в 1 с: Единица активности в СИ — беккерель (Бк): 1 Бк — активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике — кюри (Ки): 1 Ки= 3,7×1010 Бк. Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:где материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, Не — ядро гелия (a-частица), е—символическое обозначение электрона (заряд его равен –1, а массовое число — нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.
Вопрос6Примером a-распада служит распад изотопа урана 238U с образованием Th:Скорости вылетающих при распаде a-частиц очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4×107 до 2×107 м/с, что соответствует энергиям от 4 до 8,8 МэВ. Согласно современным представлениям, a-частицы образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.a-Частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают, как правило, определенной энергией. Более тонкие измерения, однако, показали, что энергетический спектр a-частиц, испускаемых данным радиоактивным элементом, обнаруживает «тонкую структуру», т. е. испускается несколько групп a-частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практически постоянны. Дискретный спектр a-частиц свидетельствует о том, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.Для a-распада характерна сильная зависимость между периодом полураспада T1/2 и энергией Е вылетающих частиц. Эта взаимосвязь определяется эмпирическим законом Гейгера - Нэттола (1912)*, который обычно выражают в виде зависимости между пробегом Ra (расстоянием, проходимым частицей в веществе до ее полнойостановки) a-частиц в воздухе и постоянной радиоактивного распада l:где А и В—эмпирические константы, l = (ln 2)/T1/2. Согласно (257.1), чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пробег, а следовательно, и энергия испускаемых им a-частиц. Пробег a-частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше, составляя сотые доли миллиметра (a-частицы можно задержать обычным листом бумаги
вопрос7Бе́та-распа́д нейтро́на — спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением β-частицы (электрона) и электронного антинейтрино:Спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ. Время жизни свободного нейтрона составляет 885,7 ± 0,8 с (что соответствует периоду полураспада 613,9 ± 0,6 с). Прецизионные измерения параметров бета-распада нейтрона (время жизни, угловые корреляции между импульсами частиц и спином нейтрона) имеют важное значение для определения свойств слабого взаимодействия.Бета-распад нейтрона был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 и открыт в 1948—1950 независимо А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком.
Вопрос8Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — менее 2•10−10 м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами[1].Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому излучению. С точки зрения физики, кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (см. Изомерный переход, энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях (см. Синхротронное излучение). Энергия гамма-квантов, возникающих при переходах между возбуждёнными состояниями ядер, не превышает нескольких десятков МэВ. Энергии гамма-квантов, наблюдающихся в космических лучах, могут превосходить сотни ГэВ. Гамма-излучение с энергией выше 1.022 МэВ является условием рождения пар.Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом[2] в 1900 году при исследовании излучения радия.
Вопрос10. детектор для регистрации заряж. ч-ц, в к-ром используется Черенкова Вавилова излучение. При движении заряж. ч-цы в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света c/n в данной среде (n — показатель преломления среды), ч-ца излучает в направлении, составляющем угол q с её траекторией. Угол q связан со скоростью ч-цы v и показателем преломления среды га соотношением:cosq=c/vn=1/bn, b=v/c. (1)Интенсивность W черенковского излучения на 1 см пути заряж. ч-цы в интервале длин волн от l1 до l2 выражается соотношением:Здесь Z — заряд ч-цы (в ед. элементарного электрич. заряда). В Ч. с. свет излучается только ч-цами, скорости к-рых v ?c/n (b? 1/n), причём излучение происходит одновременно с прохождением ч-цы под углом q к её траектории. С ростом v (надпороговой) растут угол q и интенсивность излучения. Для предельных скоростей, близких к скорости света 1-b?1, угол q достигает предельного значения:qмaкс=arccos(1/n). Осн. элементы Ч. с.: радиатор (в-во, в к-ром v >с/n), оптич. система, фокусирующая свет, и один или неск. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих световой сигнал в электрический (см. рис.). Радиаторы изготавливают из тв., жидких и газообразных в-в.
Вопрос9 1. Сцинтилляционный счетчик. Наблюдение сцинтилляций — вспышек света при попадании быстрых частиц на флуоресцирующий экран — первый метод, позволивший У. Круксу* и Э. Резерфорду на заре ядерной физики (1903) визуально регистрировать a-частицы. Сцинтилляционный счетчик — детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор и фотоэлектронный умножитель, позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Обычно в качестве сцинтилляторов используют кристаллы некоторых неорганических (ZnS для a-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl — для b-частиц и g-квантов) или органических (антрацен, пластмассы — для g-квантов) веществ. 2. Черенковский счетчик. Принцип его работы и свойства излучения Вавилова — Черенкова, лежащие в основе работы счетчика. Назначение черенковских счетчиков — это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, и разделение этих частиц по массам. Зная угол испускания излучения (см. (189.1)), можно определить скорость частицы, что при известной массе частицы равносильно определению ее энергии. С другой стороны, если масса частицы не известна, то она может быть определена по независимому измерению энергии частицы. Кроме того, при наличии двух пучков частиц с разными скоростями будут различными и углы испускания излучений, по которым можно искомые частицы определить. Для черенковских счетчиков разрешение по скоростям (иными словами, по энергиям) составляет 10–3 —10–5. Это позволяет отделять элементарные частицы друг от друга при энергиях порядка 1 ГэВ, когда углы испускания излучения различаются очень мало. Время разрешения счетчиков достигает 10–9 с. Счетчики Черенкова устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.
Вопрос11 Ионизацио́нная ка́мера — газонаполненный датчик, предназначенный для измерения уровня ионизирующего излучения.Измерение уровня излучения происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создаётся разность потенциалов. При наличии свободных зарядов в газе между электродами возникает ток[1], пропорциональный скорости возникновения зарядов и, соответственно, мощности дозы облучения. Отличительной особенностью ионизационной камеры, в отличие от других газонаполненных датчиков, является сравнительно малая напряженность электрического поля в газовом промежутке, таким образом ток не зависит от напряжения на электродах и равен произведению заряда электрона на число пар ионов.В широком смысле к ионизационным камерам относят также пропорциональные счётчики и счётчики Гейгера-Мюллера. В этих приборах используется явление так называемого газового усиления за счёт вторичной ионизации — в сильном электрическом поле электроны, возникшие при пролёте ионизирующей частицы, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа. В узком смысле ионизационная камера — это газонаполненный ионизационный детектор, работающий вне режима газового усиления. Ниже термин используется именно в этом значении.Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным газом (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например метана или ацетилена). Открытые ионизационные камеры (например, ионизационные детекторы дыма) заполнены воздухом.Ионизационные камеры бывают токовыми (интегрирующими) и импульсными. В последнем случае на анод камеры собираются быстро двигающиеся электроны (за время порядка 1 мкс), тогда как медленно дрейфующие тяжёлые положительные ионы не успевают за это время достичь катода. Это позволяет регистрировать отдельные импульсы от каждой частицы. В такие камеры вводят третий электрод — сетку, расположенную вблизи анода и экранирующую его от положительных ионов.
Вопрос12 В связи с распространением автоматического контроля различных производственных процессов с применением источников радиоактивных излучений широкое применение получил газоразрядный
счетчик, регистрирующий эти излучения. Его работа основана на ионизирующем действии радиоактивного излучения.
Газоразрядный счетчик (рис. 205) представляет собой стеклянный или металлический баллон с двумя электродами — внешним (катод) и внутренним (анод). Катодом является или металлический баллон, или проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Анодом служит тонкая металлическая проволока, натянутая внутри баллона вдоль его оси.
Счетчик обычно наполнен специальной смесью газов под давлением 100 мм рт. ст.
Когда газ внутри счетчика не ионизирован ядерными частицами, несмотря на приложенное к нему напряжение, ток между его электродами не протекает. Как только газ внутри счетчика будет ионизирован попавшими в него ядерными частицами, в цепи счетчика появится электрический ток.
Источником ионизации газа могут быть гамма-, альфа- и бета-лучи, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения.
Для работы счетчика используется такой режим, при котором ток в цепи счетчика пропорционален числу ионизирующих частиц. Этот режим называется «областью Гейгера» и используется для работы газоразрядных счетчиков. Последовательно со счетчиком включается сопротивление порядка 1 — 10 Мом, являющееся нагрузкой, с зажимов которого снимаются импульсы напряжения. Частота следования импульсов пропорциональна числу частиц, вызывающих ионизацию.
Газоразрядный счетчик воспринимает ядерное излучение и превращает его в электрические импульсы. Эти импульсы попадают в регистрирующее устройство. Количество поступающих импульсов характеризует степень радиоактивности.
В практике применяют разнообразные типы счетчиков, которые реагируют на различные излучения. Они рассчитаны на разное рабочее напряжение, имеют различный срок службы, исчисляемый миллионами импульсов, а также разные размеры — длину и диаметр.
Вопрос13 Время разрешения составляет примерно 10 - 9 с. Полупроводниковые счетчики обладают высокой надежностью, могут работать в магнитных полях. Малая толщина рабочей области ( порядка сотни микрометров) полупроводниковых счетчиков не позволяет применять их для измерения высокоэнергетических частиц Другим вариантом активационного анализа является метод Y-C п е к т р о с к о п и и, основанный на измерении спектра - у-из-лучения образца. Энергия у-излучения является качественной, а скорость счета - количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных у-спектро-метров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счетчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический Рентгенорадиометрический каротаж ( РРК) основан на регистрации характеристического рентгеновского излучения, возникающего в процессе фотопоглощения у-лучей. РРК предназначен для в пределения содержания тяжелых ( Z 30) химических элементов в породах, слагающих стенки скважины. При этом используют геометрию прямой видимости, в которой детектор принимает излучение с поверхности среды, непосредственно облучаемой источником. В качестве источников фотонного излучения используют радионуклиды 109Cd, 241Am, 57Co и др., а для регистрации характеристического рентгеновского излучения применяют сцинтилля-ционные, пропорциональные и полупроводниковые счетчики. Существуют счетчики ( полупроводниковые), механизм действия к-рых также основан на увеличении проводимости среды вследствие ее ионизации. Ионизируемой средой в них служат кристаллы таких веществ, как AgCl, CdS, алмаз, литиево-кремниевые кристаллы и, в первую очередь, такие полупроводниковые материалы, как германий и кремний. Эти счетчикиспособны регистрировать а-частицы, осколки деления, протоны, нейтроны, а также электроны и у-кванты Полупроводниковые счетчики компактны, просты в обращении, не требуют высоковольтных источников питания.
Вопрос14
|
|
Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсацииперенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).В 1927 г. советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру в сильное магнитное поле, искривляющее треки, для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости)[1].Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненная насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счетадиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений и исследования космических лучей:В 1930 году Л. В. Мысовский с Р. А. Эйхельбергером проводили опыты с рубидием и в камере Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа 87Rb.[2]
Вопрос15 Диффузионная камера прибор, в котором можно наблюдать видимые следы (треки) заряженных частиц. Как и в Вильсона камере (См. Вильсона камера), треки в Д. к. создаются каплями жидкости в пересыщенном паре, а центрами конденсации являются ионы, образующиеся вдоль траектории заряженной частицы. Пересыщение газа в Д. к. достигается за счёт непрерывного потока пара от более горячей поверхности у крышки камеры к холодной поверхности у её дна. В отличие от камеры Вильсона, в Д. к. пересыщение существует постоянно, поэтому Д. к. чувствительна к ионизирующим частицам непрерывно. Д. к. впервые осуществлена американским физиком А. Лангсдорфом в1936.Металлическое дно камеры, заполненной газом, охлаждается твёрдой углекислотой до температуры — 60—70°С (рис.). Вследствие теплопроводности газа и конвективного теплообмена между газом и стенками камеры в камере устанавливается большой перепад температуры по высоте. Верхняя часть камеры заполняется парами метилового спирта с упругостью, близкой к насыщению (при температуре от 10 до 20°С).Пары спирта диффундируют вниз и конденсируются на дне камеры. Т. к. температура газа в области, прилегающей ко дну камеры,значительно ниже, чем температура у крышки, внизу образуется слой с пересыщением парами спирта, в котором формируются треки частиц. Высота чувствительного к ионизирующим частицам слоя в Д. к. достигает 50—70 мм. Чёткие следы частиц в Д.к.образуются при температурных перепадах в чувствительном слое Диффузионная камера 50—10 град/см.Д. к. высокого давления наполняют водородом до 3—4 Мн/м2 (30—40 атм.) и гелием до 20 Мн/м2 (20 атм.). Они применяются для изучения процессов взаимодействия частиц высокой энергии с ядрами водорода, дейтерия и гелия.Помещая Д.к. в магнитное поле Диффузионная камера Рис. Схема диффузионной камеры: 1 — верхнее стекло; 2 — металлическое корытце с метиловым спиртом 9; 3 — стеклянный цилиндр (боковая поверхность камеры); 4 — металлическое дно камеры, охлаждаемой твёрдой углекислотой 5; 6 — поршень из термо-изолирующего материала; 7 — сжатая пружина; 8 — параболическое зеркало; 10 — фотоаппарат; 11 — металлическое кольцо с редкой сеткой из тонкой проволоки для создания очищающего от ионов электрического поля; S — источник света.
Вопрос16 Пузырько́вая ка́мера — прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году. За своё открытие Глейзер получил Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глейзера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью.Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них большую информацию. До этого, около 40 лет назад, была известна камера Вильсона. Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадет ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована. В качестве рабочей жидкости наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий
Вопрос17 Впервые с возможностью регистрации ядерных излучений фотографическим методом столкнулся А. Беккерель, открывший в 1896 г. с помощью фотопластинок радиоактивность урана. Но по настоящему в практику субатомных исследований этот метод вошёл в конце сороковых годов прошлого века после создания С. Пауэллом специальных фотопластинок с толстым эмульсионным слоем (эта работа была отмечена Нобелевской премией). Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм, но в отличие от последних имеют существенно бóльшую толщину - до нескольких сотен микрон (толщина обычных эмульсий 10 мкм). Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.
Вопрос18 Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида :реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием. результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер Резерфорд бомбардировал атомы азотаα-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
Вопрос19 Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядраатомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида: реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием Энергия возбуждения Энергия возбуждения составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи нуклона и части его кинетической энергии : Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона примерно равна кинетической энергии бомбардирующего ядро нуклона.В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра
Вопрос20 Бе́та-распа́д — тип радиоактивного распада, обусловленного слабым взаимодействием и изменяющего заряд ядра на единицу. При этом ядро может излучать бета-частицу (электрон или позитрон). В случае испускания электрона он называется «бета-минус-распадом» (),а в случае испускания позитрона — «бета-плюс-распадом» (). Кроме и -распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, когда ядро захватывает атомный электрон. Во всех типах бета-распада ядро излучает электронное нейтрино (-распад, электронный захват) или антинейтрино (-распад). В -распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и антинейтрино:.На фундаментальном уровне (показанном на Фейнмановской диаграмме) это обусловлено превращением d-кварка в u-кварк с испусканием W-бозона.В -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:.Таким образом, в отличие от -распада, -распад не может происходить в отсутствие внешней энергии, поскольку масса самого нейтрона больше массы протона. -распад может случаться только внутри ядер, где абсолютное значение энергии связи дочернего ядра больше энергии связи материнского ядра. Разность между двумя этими энергиями идёт на превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино и на кинетическую энергию получившихся частиц. Во всех случаях, когда β+-распад энергетически возможен (и протон является частью ядра с электронными оболочками), он сопровождается процессом электронного захвата, при котором электрон атома захватывается ядром с испусканием нейтрино:.Но если разность масс начального и конечного атомов мала (меньше удвоенной массы электрона, то есть 1022 кэВ), то электронный захват происходит, не сопровождаясь конкурирующим процессом позитронного распада; последний в этом случае запрещён законом сохранения энергии. Когда протон и нейтрон являются частями атомного ядра, эти процессы распада превращают один химический элемент в другой. Например: ( распад), ( распад), (электронный захват).Бета-распад не меняет число нуклонов в ядре A, но меняет только его заряд Z. Таким образом может быть введён набор всех нуклидов с одинаковым A; эти изобарные нуклиды могут превращаться друг в друга при бета-распаде. Среди них некоторые нуклиды (по крайней мере, один) бета-стабильны, поскольку они представляют собой локальные минимумы излишка массы: если такое ядро имеет (A, Z) числа, соседние ядра (A, Z−1) и (A, Z+1) имеют больший излишек массы и могут распадаться посредством бета-распада в (A, Z), но не наоборот. Необходимо заметить, что бета-стабильное ядро может подвергаться другим типам радиоактивного распада (альфа-распаду, например). Большинство изотопов, существующих в природных условиях на Земле, бета-стабильны, но существует несколько исключений с такими большими периодами полураспада, что они не успели исчезнуть за примерно 4,5 млрд лет, прошедшие с момента нуклео-синтеза. Например, 40K, который испытывает все три типа бета-распада (бета-минус, бета-плюс и электронный захват), имеет период полураспада 1.277·109 лет. Бета-распад можно рассматривать как переход между двумя квантово механическими состояниями, обусловленный возмущением, поэтому он подчиняется золотому правилу Ферми. диаграмма, используемая для изучения бета-распада. Это энергетическая зависимость квадратного корня из количества излучённых бета-частиц
Вопрос21 Электро́нный захва́т, e-захват — один из видов бета-распада атомных ядер. При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальныйэлектрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер. Если энергетическая разница между родительским и дочерним атомом (доступная энергия бета-распада) превышает 1,022 МэВ (удвоенную массу электрона), электронный захват всегда конкурирует с другим типом бета-распада, позитронным распадом. Например, рубидий-83 превращается в криптон-83 только посредством электронного захвата (доступная энергия около 0,9 МэВ), тогда как натрий-22 распадается в неон-22 посредством как электронного захвата, так и позитронного распада (доступная энергия около 2,8 МэВ).Поскольку число протонов в ядре (т.е. заряд ядра) при электронном захвате уменьшается, этот процесс превращает ядро одного химического элемента в ядро другого элемента, расположенного ближе к началу таблицы Менделеева.Общая формула электронного захвата Примеры:
Вопрос22 В 1920 г. Резерфорд высказал предположение,что должна существовать частица массой, равной массе протона, но не имеющая электрического заряда. Однако, обнаружить такую частицу Резерфорду не удалось. Английский ученый Дж. Чедвик выдвинул гипотезу о существовании нейтральных частиц, близких по размерам и массе к протонам. Эти частицы он назвал нейтронами. При прохождении через вещество нейтроны не теряют энергию на ионизацию атомов вещества, поэтому имеют огромную проникающую способность. Масса нейтрона чуть больше массы протона (примерно на 2,5 массы электрона).
Условное обозначение нейтрона:
Свойства нейтрона:
В среднем за 15 минут свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино - частицу, не имеющую ни заряда, ни массы. Нейтроны могут быть использованы как "снаряды" в реакциях превращения одних ядер в другие.О ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ
Из 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами ( входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность наблюдаемой массы Вселенной , которая состоит в основном из нуклонов, известна - один нуклон на 0,4 кубического метра. Зная радиус наблюдаемой Вселенной - 13,7 млрд световых лет, можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~10 в степени 80.Нейтрон - английское слово, которое произошло от латинского "neuter", что в переводе означает "ни тот, ни другой". Открыл нейтрон английский физик Чедвик в 1932 г. Благодаря нейтрону получила свое название нейтронная бомба - та, которая "великодушно относится" к зданиям, то есть не разрушает их.
Вопрос23Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависят от их скорости (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на две группы:медленные и быстрые. Область энергий медленных нейтронов включает в себя область ультрахолодных (с энергией до 10–7 эВ), очень холодных (10–7 — 10–4 эВ), холодных (10–4 — 10–3 эВ), тепловых (10–3 — 0,5 эВ) и резонансных (0,5 — 104 эВ) нейтронов. Ко второй группе можно отнести быстрые (104 — 108 эВ), высокоэнергетичные (108 — 1010 эВ) и релятивистские (1010 эВ) нейтроны.Замедлить нейтроны можно пропуская их через какое-либо вещество, содержащее водород (например, парафин, вода). Проходя через такие вещества, быстрые нейтроны испытывают рассеяние на ядрах и замедляются до тех пор, пока их энергия не станет равной, например, энергии теплового движения атомов вещества замедлителя, т. е. равной приблизительно kT.Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций, так как они относительно долго находятся вблизи атомного ядра. Благодаря этому вероятность захвата нейтрона ядром становится довольно большой. Однако энергия медленных нейтронов мала, потому они не могут вызывать, например, неупругое рассеяние. Для медленных нейтронов характерны упругое рассеяние на ядрах (реакция типа (п, п)) и радиационный захват (реакция типа (п, )). Реакция (п, ) приводит к образованию нового изотопа исходного вещества:например
Часто в результате (n, g)-реакции образуются искусственные радиоактивные изотопы, дающие, как правило, b–-распад. Например, в результате реакции
Часто в результате (n, )-реакции образуются искусственные радиоактивные изотопы, дающие, как правило, –-распад. Например, в результате реакции
Вопрос24 Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным(самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер —экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью. При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ и более 80 % этой энергии составляет кинетическая энергия осколков деления. Остальная часть распределяется между нейтронами, гамма-квантами, β−-частицами и антинейтрино. При этом соотношение между отдельными составляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергии нейтрона, вызывающего процесс деления.Превращающаяся в тепло энергия на один акт деления (200 МэВ), в перерасчёте на 1 г прореагировавшего 235U даёт:5·1023МэВ = 1,94·1010кал = 8,1·1010Дж = 22,5 МВт·ч ≈ 1 МВт·сутИнтересно, что около 5 % всей энергии деления уносится с антинейтрино и не может быть использовано.Энергия осколков деления, мгновенных гамма-квантов и нейтронов превращается в тепло практически мгновенно. Энергия β−-распада, составляющая примерно 7 % всей энергии деления, выделяется постепенно в течение длительного времени, так как β−-распады происходят значительно позже момента деления ядра. Это запаздывание приводит к так называемому остаточному энерговыделению в остановленном ядерном реакторе, которое (в случае его работы на большой мощности) после остановки настолько велико, что необходимо принимать меры для охлаждения реактора. Причём вначале остаточное энерговыделение уменьшается довольно быстро: треть за 1 минуту, 60 % — за 1 час, около 75 % — за 1 сутки. Затем энергия выделяется всё медленнее, вследствие чего отработавшее в реакторе ядерное топливо обладает настолько большой радиоактивностью и, соответственно, остаточным энерговыделением, что требует длительной (по нескольку лет) выдержки в специальных бассейнах с охлаждением
Вопрос25 Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ³ 1.Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакция, называется критической массой.Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т — среднее время жизни одного поколения, а N — число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN—N = N(k—1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,Интегрируя получим где N0 — число нейтронов в начальный момент времени, а N — их число в момент времени t. N определяется знаком (k—1). При k>1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k=1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухающая реакция.Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней U (или Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом (U: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения (Th и U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива U (см. реакцию (265.2)), a U, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных b–-распадов — для превращения в ядро Pu: Реакции таким образом, открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.
Вопрос26 Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной реакции деления, но и управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления, называются ядерными реакторами. Пуск первого реактора в мире осуществлен в Чикагском университете (1942) под руководством Э. Ферми, в России (и в Европе) — в Москве (1946) под руководством И. В. Курчатова.Для пояснения работы реактора рассмотрим принцип действия реактора на тепловых нейтронах (рис. 345). В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы 1 и замедлитель 2, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Тепловыделяющие элементы (твэлы) представляют собой блоки из делящегося материала, заключенные в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счет энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются, а поэтому для охлаждения они помещаются в поток теплоносителя (3 — канал для протока теплоносителя). Активная зона окружается отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов.
Ядерные реакторы различаются:1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель,теплоноситель); в качестве делящихся и сырьевых веществ используются U, Pu, U, U, Th, в качестве замедлителей — вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий, органические жидкости и т. д., в качестве теплоносителей — воздух, вода, водяной пар, Не, СО2 и т. д.;2) по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в активной зоне: гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) игетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков);3) по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах; в последних используются нейтроны деления и замедлитель вообще отсутствует);4) по типу режима (непрерывные и импульсные);5) по назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т. д.).
Вопрос27 Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления покелых ядер. Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер]Объяснить, почему реакция синтеза атомных ядер - образование из легких ядер более тяжелых - является колоссальным источником энергии. термоядерные реакции - реакции синтеза атомных ядер, текущие при высоких температурах - играют огромную роль в жизни вселенной, являясь основным источником энергии звезд. Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер - образование из легких ядер более тяжелых. Итак, термоядерные реакции - это реакции синтеза атомных ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах ( десятки и сотни миллионов градусов) и способствующие поддержанию этих температур за счет большого энерговыделения.Однако оказывается, что для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 107 К. Можно также полагать, что получат развитие и реакции синтеза атомных ядер, так как эти процессы, как мы видели, должны сопровождаться выделением еще больших количеств энергии. Можно также полагать, что на очередь будут поставлены и реакции синтеза атомных ядер, так как эти процессы, как мы видели, должны сопровождаться выделением еще больших количеств энергии.Этот результат, как и много других подобных совпадений расчетов с опытными данными, )и достаточной точности измерений атомных весов. Кривая энергий связи нуклона показывает, что наиболее энергетически эффективными должны быть реакции синтеза атомных ядериз легких элементов.С помощью управляемой термоядерной реакции может быть облегчено решение проблемы надежного энергоснабжения. Уже более 20 лет советские и зарубежные ученые ведут поиск решения этой сложной проблемы, ставя перед собой цель создания электростанции на основе термоядерных реакторов. Топливом для таких реакторов должен быть дейтерий ( тяжелые ядра водорода) и литий. В мировом океане содержится более 20 - Ю12 т тяжелого водорода. Примером реакции синтеза атомных ядер может служить реакция соединения ядер дейтерия Д и трития Т, в результате чего рождается ядро гелия и нейтрон.
Вопрос28 Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B). правляемый термоядерный синтез возможен при одновременном выполнении двух условий:Скорость соударения ядер соответствует температуре плазмы:T > 108 K (для реакции D-T).Соблюдение критерия Лоусона:nτ > 1014 см−3·с (для реакции D-T),где n — плотность высокотемпературной плазмы, τ — время удержания плазмы в системе.От значения этих двух критериев в основном зависит скорость протекания той или иной термоядерной реакции.В настоящее время (2013) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён в промышленных масштабах. Строительство международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) находится в начальной стадии.
Вопрос29 Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излучения — излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства. Измерения интенсивности космического излучения, проводимые методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и частиц, приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h »50 км остается практически постоянной.Различают первичное и вторичное космические излучения. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Исследование его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток элементарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 109—1013 эВ, около 7%—a-частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z>20). По современным представлениям, основанным на данных астрофизики и радиоастрономии, считается, что первичное космическое излучение имеет в основном галактическое происхождение. Считается, что ускорение частиц до столь высоких энергий может происходить при столкновении с движущимися межзвездными магнитными полями. При h³50 км (рис. 347) интенсивность космического излучения постоянна; на этих высотах наблюдается лишь первичное излучение.С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. При h<20 км космическое излучение является вторичным; с уменьшением h его интенсивность понижается, поскольку вторичные частицы по мере продвижения к поверхности Земли испытывают поглощение.В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жесткий (обладает в свинце большой проникающей способностью). Происхождение мягкого компонента объясняется следующим образом. В космическом пространстве всегда имеются g-кванты с энергией Е>2тeс2, которые в поле атомных ядер превращаются в электронно-позитронные пары. Образовавшиеся таким образом электроны и позитроны, тормозясь, в свою очередь, создают g-кванты, энергия которых еще достаточна для образования новых электронно-позитронных пар и т. д. до тех пор, пока энергия g-квантов не будет меньше 2тeс2 (рис. 348). Описанный процесс называется электронно-позитронно-фотонным (или каскадным) ливнем. Хотя первичные частицы, приводящие к образованию этих ливней, и обладают огромными энергиями, но ливневые частицы являются «мягкими» — не проходят через большие толщи вещества. Таким образом, ливневые частицы — электроны, позитроны и g-кванты — и представляют собой мягкий компонент вторичного космического излучения. Природа жесткого компонента будет рассмотрена в дальнейшем.
Вопрос30 Мюо́н (от греческой буквы μ, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1⁄2. Вместе с электроном, тау-лептоном и нейтрино классифицируется как часть лептонного семейства фермионов. Как и все фундаментальные фермионы, мюон имеет античастицу с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного знака, но с равной массой и спином: а̀нтимюо́н (чаще частицу и античастицу называют соответственно отрицательным и положительным мюоном). Мюонами называют также мюоны и антимюоны в совокупности. Ниже термин «мюон» употребляется в этом значении, если не оговорено обратное.По историческим причинам, мюоны иногда называют мю-мезонами, хотя они не являются мезонами в современном представлении физики элементарных частиц. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона; по этой причине мюон можно рассматривать как чрезвычайно тяжёлый электрон. Мюоны обозначаются как μ−, а антимюоны как μ+.На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных пионов. Пионы создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами и имеют очень короткое время распада — несколько наносекунд. Время жизни мюонов тоже мало — 2,2 микросекунды. Однако мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к скорости света, так что из-за эффекта замедления времени специальной теории относительности их легко обнаружить у поверхности Земли.Как и в случае других заряженных лептонов, существует мюонное нейтрино (и антинейтрино), которое имеет тот же аромат, что и мюон Мюонные нейтрино обозначаются как νμ, антинейтрино — νμ. Мюоны почти всегда распадаются в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино (соответственно антимюоны — в позитрон, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино); существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.
Вопрос31 С. Пауэлл (1903—1969; английский физик) с сотрудниками, подвергая на большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей (1947), обнаружили ядерно-активные частицы — так называемые p-мезоны (от греч. «мезос» — средний), или пионы. В том же году пионы были получены искусственно в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Be, С и Сu a-частицами, ускоренными в синхроциклотроне до 300 МэВ. p-Мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.Существуют положительный (p+), отрицательный (p–) (их заряд равен элементарному заряду е) и нейтральный (p0) мезоны. Масса p+- и p–-мезонов одинакова и равна 273,1me масса p0-мезона равна 264,1me. Все пионы нестабильны: время жизни соответственно для заряженных и нейтрального p-мезонов составляет 2,6×10–8 и 0,8×10–16 с.Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам
,,где мюоны испытывают дальнейший распад по рассмотренным выше схемам (и Из схем распада следует, что спины заряженныхp-мезонов должны быть либо целыми (в единицах ), либо равны нулю. Спины заряженных p-мезонов, по ряду других экспериментальных данных, оказались равными нулю.Нейтральный пион распадается на два g-кванта:Спин p0-мезона, так же как и спин p+-мезона, равен нулю.Исследования в космических лучах методом фотоэмульсий (1949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию К-мезонов, или каонов, — частиц с нулевым спином и с массами, приблизительно равными 970me. В настоящее время известно четыре типа каонов: положительно заряженный (К+), отрицательно заряженный (К–) и два нейтральных ( и ). Время жизни K-мезонов лежит в пределах 10–8—10–10 с в зависимости от их типа.Существует несколько схем распада K-мезонов. Распад заряженных K-мезонов происходит преимущественно по схемамРаспад нейтральных K-мезонов в основном происходит по следующим схемам (в порядке убывания вероятности распада):
Вопрос32 Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, b-распад, m-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (t10–10 с).Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 1014 раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10–23 с; время жизни p0-мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10–16 с; для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10–10—10–8 с. Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10–15 м, слабого — не превышает 10–19 м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен. Элементарные частицы принято делить на три группы:1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы — фотона — кванта электромагнитного излучения;2) лептоны (от греч. «лептос» — легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжелый лептон — t-лептон, или таон, с массой примерно 3487me, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено;3) адроны (от греч. «адрос» — крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независимость ядерных сил. Как уже указывалось, ядерные силы, действующие между парами р—р, п—п или р—п, одинаковы. Поэтому если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и всех p-мезонов. Различие в массах нуклонов и соответственно p-мезонов обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так, нуклон образует дублет (нейтрон, протон), p-мезоны—триплет (p+, p–, p0) и т. д. Подобные группы «похожих» элементарных частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы и отличающиеся зарядами, называют изотопическими мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопическим спином (изоспином) — одной из внутренних характеристик адронов, определяющей число (n) частиц в изотопическом мультиплете: n=2I+1. Тогда изоспин нуклона I=½ (число членов в изотопическом мультиплете нуклона равно двум), изоспин пиона I=1 (в пионном мультиплете n=3) и т. д. Изотопический спин характеризует только число членов в изотопическом мультиплете и никакого отношения к рассматриваемому ранее спину не имеет.
Вопрос33 Каждая частица имеет своего двойника — античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же значения, что и частица — масса, спин, время жизни, и некоторые характе ристики с противоположным знаком — электрический заряд, барионное и лептонные числа, s, c, b, t.Связь характеристик частиц и античастиц
|
Характеристика |
Частица |
Античастица |
|
Масса |
M |
M |
|
Электрический заряд |
+(-)Q |
-(+)Q |
|
Спин |
S |
S |
|
Магнитный момент |
+(-)m |
-(+)m |
|
Барионное число |
+B |
-B |
|
Лептонное число |
+Le, +Lm, +Lt |
-Le, -Lm, -Lt |
|
Странность |
+(-)s |
- (+)s |
|
Charm |
+(-)c |
- (+)c |
|
Bottomness |
+(-)b |
- (+)b |
|
Topness |
+(-)t |
- (+)t |
|
Изоспин |
I |
I |
|
Проекция изоспина |
+(-) I3 |
- (+)I3 |
|
Четность |
+(-) |
- (+) |
|
Время жизни |
T |
T |
|
Схема распада |
Вопрос34 В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Для ее пояснения в табл. 8 представлены основные характеристики рассмотренных выше элементарных частиц. Характеристики античастиц не приводятся, поскольку модули зарядов и странности, массы, спины, изотопические спины и время жизни частиц и их античастиц одинаковы, они различаются лишь знаками зарядов и странности, а также знаками других величии, характеризующих их электрические (а следовательно, и магнитные) свойства. В таблице нет также античастиц фотона и p0-и h0-мезонов, так как антифотон и антипи-ноль- и антиэта-ноль-мезоны тождественны с фотоном и p0- и h0-мезонами.В табл. 8 элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.К группе фотонов относится единственная частица — фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино).К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами, подчиняясь статистике Ферми — Дирака. Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Странность лептонов равна нулю.Элементарным частицам, относящимся к труппе лептонов, приписывают так называемое лептонное число(лептонныйзаряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (е–, m–, t–, ne, nm, nt), L=–1 для антилептонов (е+, m+, t+, , , ) и L=0 для всех остальных элементарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохрания лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частицлептонное число сохраняется.Теперь понятно, почему при распаде (258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Taк как у электрона и нейтрино L= +1, а у позитрона и антинейтрино L= –1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино — с позитроном Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов относятся пионы, каоны, h-мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл. 8 приведены не все адроны).Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, h-мезон), а адроны с В= +1 образуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0. Если принять для барионовВ=+1, для антибарионов (антинуклоны, автигипероны) В=–1, а для всех остальных частиц В=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бариона наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1)—(273.5). Барионы имеют спин, равный ½ (только спин W–-гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лептоны, являются фермионами.Странность S для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значения (см. табл. 8).Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами, подчиняясь статистике Бозе - Эйнштейна. Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S=+1, а пионы и h-мезоны имеют нулевую странность.Подчеркнем еще раз, что для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов.Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном.Название «кварк» заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»).Согласно модели Гелл-Манна - Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (и, d, s) и соответствующих антикварков (, , ), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен ½, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион p+ имеет кварковую структуру , пион p– — , каон К+ — , протон — uud, нейтрон — udd, S+-гиперон — uus, S0-гиперон — uds и т. д.Во избежание трудностей со статистикой), что запрещено принципом Паули; на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой характеристикой — цветом: «желтым», «синим» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.