Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

При великих енергіях бомбардуючих часток проміжне ядро не утворюється, процес має вигляд (8.32) і носить назву прямої ядерної взаємодії. Ілюстрацією таких процесів є так звана реакція зриву, коли ядро зриває один з нуклонів з пролітаючого повз нього дейтрона, або зворотна їй реакція підхоплення, коли пролітаючий повз ядро нуклон підхоплює відповідний нуклон ядра з утворенням дейтрона.

Найчисленнішими є реакції, які викликаються нейтронами. Завдяки відсутності електричного заряду нейтрону не доводиться долати потенціальний бар’єр ядра, тому в ядра легко проникають навіть теплові нейтрони з енергією Е ~ 0,03 еВ. Як правило, для захоплення нейтронів має місце монотонна залежність  , однак спостерігаються випадки резонансного захоплення нейтронів. Так, для    різко зростає при Е = 7 еВ, досягаючи 23000 барн. Таке резонансне поглинання має місце, коли енергія, внесена нейтроном в компаунд-ядро, рівна тій, яка необхідна для його переводу на збуджений енергетичний рівень.

Цікавою є реакція  , яка постійно відбувається в атмосфері Землі під дією нейтронів космічних променів. Вона приводить до виникнення радіовуглецю   з періодом піврозпаду 5730 р. Він служить «годинником» для антропологів, подібно, як уран для геологів.

8.4.2. Важливу групу ядерних реакцій складають реакції поділу важких ядер при їх бомбардуванні нейтронами (О. Ган, Р. Штрасман, О. Фріш, Л. Мейтнер, 1938 р.). При цьому ядро ділиться на декілька більш легких ядер (найчастіше – на два осколки зі співвідношенням мас 2:3) з випроміненням 2-3 вторинних нейтронів і виділенням величезної енергії (порядку 1 МеВ на нуклон); наприклад, 

 . (7.36)

Мінімальна енергія, необхідна для поділу ядра, називається енергією активації; її вносить в ядро бомбардуючий нейтрон. Це приводить до деформації ядра внаслідок порушення рівноваги кулонівських сил і сил поверхневого натягу (в рамках краплинної моделі ядра), поділу ядра і розлітання осколків з великими швидкостями (Н. Бор, Я.І. Френкель, 1939 р.). Осколки виносять понад 80% енергії поділу, ~ 10 МеВ виносять нейтрони, решта енергії виділяється під час –-перетворень продуктів поділу.

Оскільки відношення числа нейтронів до числа протонів   для середніх ядер ~1,3, а для важких ядер ~1,6, звільнення осколків від надлишку нейтронів і приводить до виникнення вторинних нейтронів. Переважна більшість їх виникає в момент поділу (миттєві нейтрони); однак, ~0,7 % вторинних нейтронів виникають з запізненням (запізнілі нейтрони). Вони “випаровуються” –-радіоактивними осколками вже після поділу ядра з розкидом в часі від 0,05 с до десятків секунд. Саме це дозволяє плавно керувати ланцюговою реакцією поділу.

Ядерна реакція стає ланцюговою, якщо частинки, що її викликають, виникають як продукти цієї реакції. В реакції типу (8.36), викликаній тепловим нейтроном, вторинні нейтрони є швидкими (з енергією E > 1 МеВ) в середній кількості  = 2,5 на кожний акт поділу. Якщо частина f загальної кількості вторинних нейтронів буде використана для продовження реакції поділу, то на один нейтрон першого покоління прийдеться

  (8.37)

нейтронів другого покоління, тому швидкість зміни потоку нейтронів   і

 , (8.38)

де n0 – потік нейтронів при t = 0,  – час життя покоління нейтронів.

Якщо  , здійснюється самопідтримувана ланцюгова реакція, що має місце в ядерних реакторах. При   реакція перестає бути регульованою і закінчується вибухом; при   ланцюгова реакція згасає.

Вивчення можливостей реалізації цих умов показало, що природний уран містить ~99,3% ізотопу   і ~ 0,7% ізотопу  . Ядра   діляться як швидкими, так і тепловими нейтронами, ядра  діляться лише швидкими нейтронами з енергією Е > 1 МеВ, але ефективний переріз поділу  для них малий. Конкуруючими процесами є непружне розсіяння і радіаційне захоплення нейтронів, тому в природному урані ланцюгова реакція поділу самочинно розвинутись не може, вона згасає. Якщо природний уран достатньо збагачений ізотопом  , то на швидких нейтронах реалізується співвідношення типу (8.37):

 , (8.39)

де   – середнє число нейтронів на кожний захоплений нейтрон,   – коефіцієнт використання швидких нейтронів. З умови   визначаються критичні розміри і критична маса атомної бомби, що для   дає R ~ 9 см і mкр ~ 50 кг. При   ядерні заряди можна зберігати; при з’єднанні докритичних мас у надкритичні відбувається атомний вибух, еквівалентний вибуху 2104 тон тротилу (США, 1945; СРСР, 1949р).

При реалізації ланцюгової реакції поділу на теплових нейтронах необхідне використання сповільнювача нейтронів (важка вода  , графіт, які мало поглинають нейтрони). Тоді стає можливим використання природного урану. Коефіцієнт розмноження теплових нейтронів у цьому випадку визначається співвідношенням:

 . (8.40)

Це – так звана формула чотирьох співмножників, де  – коефіцієнт зростання потоку нейтронів за рахунок поділу ядер швидкими нейтронами,  – доля сповільнюваних нейтронів, які не зазнають поглинання ядрами  ,  – коефіцієнт використання теплових нейтронів (не поглинутих домішками і не вилітаючих за межі активної зони). Якщо перші два співмножники залежать лише від активно подільчого матеріалу, другі два суттєво залежать від конструкції пристрою (реактора).

Оптимізація цих коефіцієнтів в уран-графітовому реакторі (реактор гетерогенного типу), де стрижні з природного урану відповідного діаметра складаються у своєрідну решітку з блоками графітового сповільнювача, дозволяє досягти   і за допомогою