Ядерная энергия и ядерные энергетические установки
их происхождением; максимальные концентрации в органогенных
осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения,
фосфатов и других веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив,
хемогенные осадки — гипс, каменная соль — отличаются низкой
радиоактивностью).
3 Альфа-распад.
Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на
составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его
распада, то это означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно)
распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию и
только 2 % ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое
число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.
Начальная энергия альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-
частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе
невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа-частиц,
испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием, - 3,3 см.
4 Бета-распад.
Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением
порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа (-
распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным
ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом, поскольку
при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К
оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее
вероятно. Период полураспада ( -активных ядер изменяется в очень широких
пределах.
Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет
около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-
радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.
Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при
распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном
испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны
имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного ядра.
Резкий обрыв спектра наблюдается при значении кинетической энергии, равной
энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино
равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции.
При электронном распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на
единицу больше исходного при сохранении массового числа. Это означает, что
в остаточном ядре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов,
наоборот, стало меньше: N=A-(Z+1).
5 Позитронный бета-распад.
При позитронном распаде сохраняется полное число нуклонов, но в
конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом,
позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превращения
внутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
6 Электронный захват.
К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из
орбитальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват
электрона с орбиты, наиболее близко расположенных к ядру, то с наибольшей
вероятность поглощаются электроны К-оболочки. Поэтому этот процесс
называется также К-захватом.
С гораздо меньшей вероятностью происходит захват электронов с L-,M-
оболочек. После захвата электрона с К-оболочки происходит ряд переходов
электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние
испускается рентгеновский квант.
7 Гамма-распад.
Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии.
Это состояние называется основным. Однако путем облучения атомных ядер
различными частицами или высокоэнергетическими протонами им можно передать
определенную энергию и, следовательно, перевести в состояния, отвечающие
большей энергии. Переходя через некоторое время из возбужденного состояния
в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергия
возбуждения достаточно высока, или высокоэнергетическое электромагнитное
излучение - гамма-квант.
Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических
состояниях, то и гамма-излучение характеризуется линейчатым спектром.
ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР
1 Общие сведения.
Явление деления тяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом
и Штрассманом в 1939 г. При изучении взаимодействия нейтронов различных
энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940 г. советские физики
К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление
ядер урана. При спонтанном деление и делении, вызванном нейронами, как
правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерно
равно 3: 2.
При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деления
высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической
энергии испускаемых ядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино,
нейтронов.
Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков,
поскольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобретают
большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в
виде кинетической энергии ядер-осколков.
Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является
то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это
обстоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или
развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в
среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызывают реакцию деления, то
образующиеся в результате реакции нейтроны могут с определенной
вероятностью вызвать деление ядер, что может привести при соответствующих
условиях к развитию неконтролируемого процесса деления. Число вторичных
нейтронов не постоянно для всех тяжелых ядер и зависит как от энергии
вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов
деления кроме так называемых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10-15 с
после процесса деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они
испускаются в течение нескольких минут с постепенно убывающей
интенсивность. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа
нейтронов деления, а их энергия заключена в широком диапазоне: от тепловой
энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ.
Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами образующихся
после бета-распада продуктов деления - ядер-предшественников. Поскольку
испускание нуклонов возбужденным ядром происходит мгновенно, то во время
испускания запаздывающего нейтрона после акта деления будет определяться
постоянной распада ядра-предшественника.
2 Продукты деления.
В результате деления тяжелых ядер образуются, как правило, два ядра-
осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых
осколков равно 2: 3. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток
нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. Массовые числа А
продуктов деления меняются от 72 до 161, а атомные номера от 30 до 65.
Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равными
массами составляет всего 0,04%. Доля симметричного деления возрастает по
мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающего деление атомного
ядра.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ
Различные частицы (нейтроны, протоны, электроны, гамма-кванты и т.д.)
могут взаимодействовать с атомными ядрами. Характер взаимодействия зависит
от энергии частиц, их типа и свойств атомного ядра. Для оценки вероятности
взаимодействия вводится величина, называемая микроскопическим сечением
взаимодействия. Физический смысл ее состоит в следующем. Пусть пучок
нейтронов интенсивностью No падает на мишень, состоящую из одного слоя
ядер. Число ядер на единице поверхности равно М. Предположим, что при
прохождении пучка через такой слой часть нейтронов поглотиться в нем и
через слой прошло N`. Тогда вероятность взаимодействия одного нейтрона с
одним атомным ядром:
[pic]
Это и есть микроскопическое сечение, представляющее собой эффективную
площадь поперечного сечения атомного ядра, попав в которое налетающая
частица вызывает ядерную реакцию или испытывает рассеяние.
В процессе экспериментальных исследований энергетической зависимости
сечения взаимодействия частиц и различных атомных ядер было обнаружено,
что при определенных энергиях значения сечений резко возрастают, а при
дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явление называется
резонансом.
В практике реакторостроения нейтроны по энергии принято делить на
следующие группы: быстрые нейтроны с энергией 0,10 - 10 МэВ, тепловые
нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды и имеющие
энергию 0,005 - 0,2 эВ, и промежуточные (2 - 102 эВ) и надтепловые (0,2 - 2
эВ).
При взаимодействии нейтрона и ядер могут протекать следующие реакции:
упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деление.
Вероятность протекания определенной реакции характеризуется
микроскопическими сечениями. В зависимости от энергии нейтрона сечения
могут изменятся. Так, в области быстрых нейтронов сечение радиационного
захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвата тепловых нейтронов.
Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянное для энергии выше
1 эВ.
Наряду с микроскопическими сечениями на практике используются также
макроскопические сечения, под которыми понимают вероятность взаимодействия
частицы в единице объема вещества. Если в единице объема число ядер
определенного типа есть N, то макроскопическое сечение = микроскопическое
сечение (=(N. Как и микроскопическое, макроскопическое сечение также
характеризует определенный тип ядерной реакции.
ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
1 Ядерные реакторы.
При делении тяжелых ядер образуется несколько свободных нейтрон
| |  скачать работу |
Ядерная энергия и ядерные энергетические установки |
