Оптика, квантовая и ядерная физика. Лекция 13

1.

Оптика,
квантовая и
ядерная
физика
для студентов 2 курса ФТФ
Кафедра общей физики
ПетрГУ. О.Я. Березина
[email protected]

2.

Основы физики
атомного ядра
Ядерные реакции. Законы сохранения в
ядерных реакциях. Деление ядер. Синтез ядер
Детектирование ядерных излучений. Понятие о
дозиметрии и защите
Экспериментальные методы ядерной физики.
Ускорители. Взаимодействие ядерных излучений
с веществом.
ПетрГУ. О.Я. Березина
Лекция 16
2

3.

х
3
ПетрГУ. О.Я. Березина

4.

• Реакция деления тяжелых ядер
• Реакция синтеза легких ядер
ПетрГУ. О.Я. Березина
4

5.

Ядерные реакции и их основные типы
Ядерная реакция – это превращение
атомных
ядер
при
взаимодействии
с
элементарными частицами (в том числе и с γквантами) или друг с другом.
Наиболее
распространенным
видом
ядерной реакции является реакция, записываемая
символически следующим образом:
X + a →Y +b
, или
X (a, b)Y
где X и Y – исходные и конечные ядра,
а и b – бомбардирующая и испускаемая (или
испускаемые) в ядерной реакции частицы.
ПетрГУ. О.Я. Березина
5

6.

Ядерные реакции и их основные типы
Эффективное сечение
Эффективность взаимодействия
характеризуют эффективным сечением σ.
С каждым видом взаимодействия частицы с
ядром связывают своё эффективное сечение:
• эффективное сечение расщепления
определяет процесс расщепления;
• эффективное сечение поглощения
– процессы поглощения.
ПетрГУ. О.Я. Березина
6

7.

Эффективное сечение ядерной реакции:
σ = dN /(nNdx)
где N – число частиц, падающих за единицу времени
на единицу площади поперечного сечения вещества,
имеющего в единице объёма n - ядер;
dN – число этих частиц, вступающих в реакцию
в слое толщиной dx.
Эффективное
сечение
σ
имеет
размерность
площади
и
характеризует
вероятность того, что при падении пучка
частиц на вещество произойдёт реакция.
Единицы измерения эффективного сечения ядерных
процессов – барн (1барн = 10–28 м2).
ПетрГУ. О.Я. Березина
7

8.

Ядерные реакции и их основные типы
В любой ядерной реакции выполняются
законы сохранения электрических зарядов и
массовых чисел: сумма зарядов и сумма
массовых чисел ядер и частиц, вступающих в
реакцию, равна сумме зарядов и сумме массовых
чисел конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Выполняются также
•законы сохранения энергии,
•импульса,
•момента импульса.
ПетрГУ. О.Я. Березина
8

9.

Ядерные реакции и их основные типы
В отличие от радиоактивного распада,
который всегда протекает с выделением энергии,
ядерные
распады
могут
быть
как
экзотермические (с выделением энергии), так и
эндотермические (с поглощением энергии).
ПетрГУ. О.Я. Березина
9

10.

Ядерные реакции и их основные типы
Важнейшую роль в объяснении механизма многих
ядерных реакций сыграло предположение М. Бора (1936
г.) о том, что ядерные реакции протекают в две стадии по
следующей схеме:
X + a →C →Y +b
Первая стадия – это захват ядром X частицы a,
приблизившейся к нему на расстояние действия ядерных
сил (примерно 2∙10–15м),
и образование промежуточного ядра С, называемого
составным (или компаунд – ядром).
ПетрГУ. О.Я. Березина
10

11.

Ядерные реакции и их основные типы
X + a →C →Y +b
Энергия влетевшей в ядро частицы быстро
распределяется между нуклонами составного ядра, в
результате чего оно оказывается в возбуждённом
состоянии.
При столкновении нуклонов составного ядра один из
нуклонов (или их комбинация, например дейтрон или αчастица) может получить энергию, достаточную для
вылета из ядра.
В результате наступает вторая стадия ядерной
реакции – распад составного ядра на ядро Y и частицу b.
ПетрГУ. О.Я. Березина
11

12.

Ядерные реакции и их основные типы
Характерное ядерное время – время, необходимое для
пролета частицей расстояния порядка величины, равной
диаметру ядра (d≈10–15м). Для частицы с энергией 1 МэВ
(скорость 107 м/с) характерное ядерное время τ ≈10–22c. С
другой стороны доказано, что время жизни составного
ядра 10–16–10–12 с, т.е. составляет (106–1010) τ. Т.е., за
время жизни составного ядра может произойти очень
много
столкновений
нуклонов
между
собой,
и
перераспределение
энергии
между
нуклонами
действительно возможно. Следовательно, составное ядро
живет настолько долго, что полностью «забывает», каким
образом оно образовалось. Поэтому характер распада
составного ядра (испускаемые им частицы b) – вторая
стадия ядерной реакции – не зависит от способа
образования составного ядра – первой стадии.
ПетрГУ. О.Я. Березина
12

13.

Ядерные реакции и их основные типы
Если испущенная частица тождественна с
захваченной (b ≡ a), то схема
X + a →Y +b
описывает рассеяние частицы:
упругое – при Eb=Ea;
неупругое – при Eb≠Ea.
Если же испущенная частица не тождественна
с захваченной (b ≠ a), то имеем дело с ядерной
реакцией в прямом смысле слова.
Некоторые реакции протекают без образования
составного ядра, они называются прямыми
ядерными взаимодействиями (например, реакции,
вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами).
ПетрГУ. О.Я. Березина
13

14.

Классификация ядерных реакций
1. По роду участвующих в них частиц
реакции под действием нейтронов;
реакции под действием заряженных
(например, протонов, дейтронов, α-частиц);
реакции под действием γ-квантов.
ПетрГУ. О.Я. Березина
частиц
14

15.

Классификация ядерных реакций
2. По энергии вызывающих их частиц
реакции при малых энергиях (порядка электронвольт), происходящие в основном с участием
нейтронов;
реакции при средних энергиях (порядка до
нескольких МэВ), происходящие с участием γ-квантов
и заряженных частиц (протон, α-частицы);
реакции, происходящие при высоких энергиях
(сотни и тысячи МэВ), приводящие к образованию
отсутствующих в свободном состоянии элементарных
частиц и имеющие большое значение для их изучения.
ПетрГУ. О.Я. Березина
15

16.

Классификация ядерных реакций
3. По роду участвующих в них ядер
реакции на лёгких ядрах (А < 50);
реакции на средних ядрах (50 < A < 100);
реакции на тяжёлых ядрах (A > 100).
4. По характеру происходящих ядерных
превращений
реакции с испусканием нейтронов;
реакции с испусканием заряженных частиц;
реакции захвата (составное ядро не испускает
никаких частиц, а переходит в основное состояние,
испуская один или несколько γ-квантов).
ПетрГУ. О.Я. Березина
16

17.

Деление ядер
Задача была решена немецкими физиками Л.
Мейтнер и О. Фришем, показавшими, что при
поглощении нейтронов ураном происходит
деление ядра на два осколка.
92U
+ n → 56Ba +36Kr + kn
где k > 1.
При делении ядра урана тепловой нейтрон с
энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200 МэВ.
ПетрГУ. О.Я. Березина
17

18.

Деление ядер
управляемая ядерная реакция деления –
создание атомных реакторов;
неуправляемая ядерная реакция деления –
создание ядерного оружия.
В 1942 г. под руководством Энрико Ферми на
территории Чикагского университета в США был построен
первый ядерный реактор.
В 1946 г. в СССР первый реактор был запущен под
руководством И. Курчатова в Москве.
В 1954 г. в СССР в г. Обнинске была построена первая
атомная электростанция мощностью 5 МВт.
ПетрГУ. О.Я. Березина
18

19.

Деление ядер
У тяжелых ядер существует тенденция к
делению на два более легких ядра с выделением
энергии.
Если расщепляется тяжелое ядро на два более
легких ядра, то их масса будет меньше массы
родительского ядра на 0,1%.
Энергия атомной бомбы и ядерного реактора
представляет собой энергию, высвобождающуюся
при делении ядер.
ПетрГУ. О.Я. Березина
19

20.

Деление ядер
Оценка энергии, освобождающейся при делении,
может быть получена из
формулы Вайцзеккера:
2/3
2
1/ 3
Eсв = α1 A − α 2 A − α3 Z / A −
α 4 ( A / 2 − Z ) / A + α5 A
2
−3 / 4
При делении ядра на два осколка изменяются
поверхностная энергия Eп = α2 A2/3 и
кулоновская энергия Eк = α3 Z2 / A1/3,
причем поверхностная энергия увеличивается,
а кулоновская энергия уменьшается.
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%CA%E2%E0%ED%F2%EE%E2%E0%FF%20%EE%EF%F2%E8%EA%E0.%20%C0%F2%EE%EC%ED%E0%FF%20%E8%20%
FF%E4%E5%F0%ED%E0%FF%20%F4%E8%E7%E8%EA%E0.%20%D4%E8%E7%E8%EA%E0%20%FD%EB%E5%EC%E5%ED%F2%E0%F0%ED%FB%F5%20%F7
%E0%F1%F2%E8%F6/09-6.htm
ПетрГУ. О.Я. Березина
20

21.

Деление ядер
Деление возможно, если энергия,
высвобождающаяся при делении Е > 0.
E≈
2
Z1
α3 1 / 3
A1
2/3
0,37 − α 2 A1 0,26
>0
Здесь A1 = A/2, Z1 = Z/2.
Отсюда получим, что деление энергетически выгодно,
когда Z2/A > 17.
Z2/A – параметр делимости.
Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с
увеличением Z2/A.
ПетрГУ. О.Я. Березина
21

22.

Деление ядер
В процессе деления ядро
изменяет
форму
−
последовательно
проходит
через следующие стадии:
шар, эллипсоид, гантель, два
грушевидных осколка, два
сферических осколка.
ПетрГУ. О.Я. Березина
22

23.

Цепная ядерная реакция
Х + n → Y1 + Y2 + (2-3)n
ПетрГУ. О.Я. Березина
23

24.

Цепная ядерная реакция
• Критическая масса —минимальное количество
делящегося вещества, необходимое для начала
самоподдерживающейся цепной реакции деления.
Коэффициент размножения нейтронов в таком
количестве вещества равен единице. Размеры,
соответствующие критической массе, также
называют критическими.
• Величина критической массы зависит от свойств
вещества (таких, как сечения деления и
радиационного захвата), от плотности, количества
примесей, формы изделия, а также от окружения.
Например, наличие отражателей нейтронов может
сильно уменьшить критическую массу.
ПетрГУ. О.Я. Березина
24

25.

235
92
?
U + n → 140
Cs
+
55
? Rb + 2n
ПетрГУ. О.Я. Березина
25

26.

Краткая информация об изотопах урана
Изотоп
Процент
Содержание в
радиоактивно
природном
сти
уране
в природном
(в %)
уране
Период
полураспада
Уран-238 (U238)
99,284
47,9
4,46
миллиарда лет
Уран-235 (U235)
0,711
2,3
704 миллиона
лет
Уран-234 (U234)
0,005
49,8
245 000 лет
U235 - это единственное расщепляющееся вещество,
встречающееся в природе в значительном количестве.
U238 - не поддается расщеплению. Однако уран-238 можно
разделить с помощью нейтронов с высокой энергией,
высвобождая большие объемы энергии, и поэтому его нередко
используют для увеличения взрывной силы термоядерных или
водородных бомб.
ПетрГУ. О.Я. Березина
26

27.

Принципиальная схема атомной
бомбы
1 – отражатель нейтронов;
2 – устройство для запала с задержкой;
3 – заряд взрывателя
ПетрГУ. О.Я. Березина
27

28.

ПетрГУ. О.Я. Березина
28

29.

Ядерные реакторы
• Ядерным реактором называется устройство, в котором
осуществляется управляемая реакция деления ядер.
• Система управления реактором состоит из набора
стержней, состоящих из материала высокопоглощающего
нейтроны.
• Стержни располагаются в специальных каналах и могут
быть подняты или опущены в реактор.
• В поднятом состоянии они способствуют разгону
реактора, в опущенном - заглушают его.
ПетрГУ. О.Я. Березина
29

30.

Ядерные реакторы
Основные элементы активной
зоны реактора:
ядерное топливо,
замедлитель
нейтронов,
теплоноситель
для отвода тепла
устройство
для
регулирования
скорости реакции.
ПетрГУ. О.Я. Березина
30

31.

Принципиальная схема ядерного реактора
1 – отражатель; 2 – регулирующие стержни;
3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор;
6 – парогенератор
ПетрГУ. О.Я. Березина
31

32.

3
4
2
1
Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора 1, отбирается водой
(теплоносителем) 1-го контура, которая прокачивается через реактор
циркуляционным насосом 2. Нагретая вода из реактора поступает в
теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в
реакторе, воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в
парогенераторе, и образующийся пар поступает в турбину 4.
ПетрГУ. О.Я. Березина
32

33.

ПетрГУ. О.Я. Березина
33

34.

ПетрГУ. О.Я. Березина
34

35.

Ядерные реакторы
Деление 1 г урана сопровождается выделением
~ 9⋅1010 Дж. Это почти в 3 млн раз превосходит
энергию сжигания 1 г угля (2,9⋅104 Дж).
Стоимость 1 Дж энергии, полученной
сжиганием угля, оказывается в 400 раз выше,
чем в случае уранового топлива.
Выработка 1 кВт⋅ч энергии обходилась в
1,7 цента на электростанциях, работающих на
угле,
и
в
1,05
цента
на
ядерных
электростанциях.
ПетрГУ. О.Я. Березина
35

36.

Заключение
Атомная энергетика - активно
развивающаяся отрасль. Очевидно, что ей
предназначено большое будущее, так как
запасы нефти, газа, угля постепенно
иссякают, а уран - достаточно
распространенный элемент на Земле.
ПетрГУ. О.Я. Березина
36

37.

Ядерный синтез
Ядерный синтез
ПетрГУ. О.Я. Березина
37

38.

Ядерный синтез
Масса или энергия покоя двух легких ядер
оказывается больше, чем у суммарного ядра.
Если
легкие
ядра
привести
в
соприкосновение, то результирующее ядро имеет
меньшую массу и высвобождается энергия,
равная разности масс.
Например, если соединить два дейтрона
и получить ядро гелия, масса которого меньше
суммарной массы двух дейтронов на 24 МэВ, то
высвободится энергия синтеза 24 МэВ.
ПетрГУ. О.Я. Березина
38

39.

Ядерный синтез
Процесс синтеза примерно в 6 раз
эффективнее процесса деления урана.
В воде озер и океанов имеются
неограниченные запасы недорогого дейтерия.
Серьезным препятствием на пути к
получению
энергии
в
неограниченных
количествах из «воды» является закон Кулона.
Электростатическое отталкивание двух
дейтронов при комнатной температуре не
позволяет им сблизиться до расстояний, на
которых сказываются короткодействующие
ядерные силы притяжения.
ПетрГУ. О.Я. Березина
39

40.

Ядерный синтез
Для получения управляемой термоядерной
энергии или для инициирования термоядерного
взрыва
водородной
бомбы
необходима
температура около 5⋅107 К.
Ядерные реакции, требующие для
своего осуществления температур порядка
миллионов градусов, называются
термоядерными.
ПетрГУ. О.Я. Березина
40

41.

Ядерный синтез на Солнце
ПетрГУ. О.Я. Березина
41

42.

ПетрГУ. О.Я. Березина
42

43.

Протон – протонный цикл
1
1
Н + 11 Н → 21 D + ?? х + ν
2
1
D + 11 Н → 23 Нe + γ
ПетрГУ. О.Я. Березина
3
2
Нe + 23 Нe → 42 Нe + ...?..
43

44.

Принципиальная схема термоядерной
(водородной) бомбы
1 – атомная бомба; 2 – заряды
Мгновенные температуры, развивающиеся при взрыве
атомной бомбы, оказываются достаточно высокими,
чтобы поджечь термоядерное горючее.
ПетрГУ. О.Я. Березина
44

45.

Принципиальная схема термоядерной
бомбы
Вместо жидкого дейтерия в качестве
горючего используется соединение LiD, причем
только с изотопом 6Li.
6Li
Изотоп
поглощает
возникающие в реакции
2
таким образом,
нейтроны,
D+ D→ He + n
2
3
n + Li→ T + He
6
3
4
Затем тритий (3T) вступает в реакцию
2
D+ T → He + n
3
4
ПетрГУ. О.Я. Березина
45

46.

х
Принципиальная схема термоядерной
(водородной) бомбы
Происходит выгорание дешевого дейтерида лития-6
(6Li 2D) с образованием 3Не, 4Не и нейтронов.
Начавшись,
термоядерные
реакции
сопровождаются
выделением
энергии,
и
этим
обеспечивается поддержание высоких температур, пока
большая часть вещества быстро не «выгорит».
Происходит
взрыв
водородной
бомбы.
Термоядерное горючее для водородной бомбы (дейтерид
лития-6) дешево, и нет ограничений на его количество при
использовании в бомбе. Проводились испытания бомб
мощностью 60 мегатонн (с ТНТ-эквивалентом 6⋅107 т).
ПетрГУ. О.Я. Березина
46

47.

Управляемый синтез
Чтобы с помощью ядерного синтеза
получить полезную энергию, термоядерные
реакции должны быть управляемыми.
Необходимо найти способы создания и
поддержания температур во много миллионов
градусов.
Одна из технических проблем связана с
тем, что высокотемпературный газ, или плазму,
нужно удерживать таким образом, чтобы не
расплавились стенки соответствующего объема.
ПетрГУ. О.Я. Березина
47

48.

ПетрГУ. О.Я. Березина
48

49.

Тороидальная камера с магнитным полем
ПетрГУ. О.Я. Березина
49

50.

Принципиальная схема установки
ПетрГУ. О.Я. Березина
50

51.

Предполагаемая схема конструкции
термоядерного реактора
ПетрГУ. О.Я. Березина
51

52.

Лазерный термоядерный синтез
Идея
лазерного
термоядерного синтеза
заключается в облучении
лазерным
излучением
небольшой сферической
оболочки, заполненной
газообразным
или
твердым топливом.
Под
действием
излучения
материал
оболочки испаряется и
создает
реактивные
силы, способные сжать
оболочку и содержащуюся в ней реагирующую
смесь.
ПетрГУ. О.Я. Березина
52

53.

Лазерный термоядерный синтез
ПетрГУ. О.Я. Березина
53

54.

Радиационная безопасность
Количество несчастных случаев, связанных с
атомной энергетикой, значительно меньше на АЭС,
чем в других областях человеческой деятельности.
Тем не менее, аварии в Чернобыле и в
Японии заставляют пересмотреть наше отношение к
организации безопасности работы АЭС и защиты от
неконтролируемого развития ядерной реакции.
Необходимо
дальнейшее
снижение
вероятности возникновения аварийных ситуаций,
хотя, вероятно, полностью избежать их никогда не
удастся.
ПетрГУ. О.Я. Березина
54

55.

Название элемента
Характеристика элемента и меры предосторожности
Период
полураспада
Радон-222
Газ, испускающий α - частицы. Образуется в горных породах. Опасен при
накоплении в шахтах, подвалах, необходимо проветривание.
Ксенон-133
Газообразные изотопы. Образуются и распадаются в процессе работы
атомного реактора. В качестве защиты- изоляция
5 суток
Йод-131
Испускает β – частицы и γ – излучение. Образуется при работе атомного
реактора. Вместе с зеленью усваивается животными и переходит в молоко.
Накапливается в щитовидной железе человека. В качестве защиты от
облучения применяют «йодную диету», т.е. вводят в рацион человека
стабильный йод.
8 суток
Криптон-85
Тяжелый газ, испускающий β – частицы и γ – излучение. Входит в состав
отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при ох хранении.
Защита – изолированное помещение.
10 лет
Стронций -90
Металл, испускающий β – частицы. Основной продукт деления в
радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека.
29 лет
Цезий-137
Металл, испускающий β – частицы и γ – излучение. Накапливается в
клетках мышечной ткани.
30 лет
Радий-226
Тяжелый газ, испускающий α – частицы, β – частицы и γ – излучение.
Защита – укрытия, убежища
1600 лет
Углерод-14
Испускает β – частицы. Естественный природный изотоп углерода.
Используется при определении возраста материала.
5500 лет
Испускает α – частицы. Содержится в радиоактивных отходах. Защита –
качественное захоронение радиоактивных отходов.
24000 лет
Плутоний-239
Калий-40
Испускает β – частицы и γ – излучение. Содержится и замещается во всех
растениях и животных ПетрГУ. О.Я. Березина
3,8 суток
1,3 млрд. лет
55

56.

Биологическое действие
ионизирующих излучений
Виды воздействия на организм ионизирующих
излучений: соматический и генетический
При соматическом эффекте последствия
проявляются непосредственно у облучаемого, при
генетическом – у его потомства.
Соматические эффекты могут быть ранними
или отдалёнными.
Ранние возникают в период от нескольких минут
до 30–60 суток после облучения. К ним относят
покраснение и шелушение кожи, помутнение
хрусталика глаза, поражение кроветворной системы,
лучевую болезнь.
ПетрГУ. О.Я. Березина
56

57.

Биологическое действие
ионизирующих излучений
За единицу измерения поглощенной дозы в
системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр — это такая доза, при
которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего
излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной
дозы является рад. 1 Гр=100 рад.
Острая лучевая болезнь
легкой степени тяжести
развивается при воздействии излучения в дозе 1–2.5 Гр.
Первичная реакция (первые 2–3 дня) –
головокружение, тошнота. Латентный период (около 1
месяца) – постепенное снижение первичных признаков.
Восстановление полное.
ПетрГУ. О.Я. Березина
57

58.

Биологическое действие
ионизирующих излучений
средней степени тяжести
развивается при воздействии излучения в дозе
2,5–4 Гр
Первичная реакция (первые 1–2 часа) –
головокружение, тошнота, рвота.
Латентный период (около 25 дней) – наличие
изменения слизистых оболочек, инфекционных
осложнений, возможен летальный исход.
ПетрГУ. О.Я. Березина
58

59.

Биологическое действие
ионизирующих излучений
тяжелой степени
развивается при воздействии излучения в дозе
4–10 Гр.
Первичная реакция (первые 30–60
минут) – головная боль, повторная рвота,
повышение температуры тела. Латентный
период (около 15 дней) – инфекционные
поражения, поражения слизистых оболочек,
лихорадка. Частота летальных исходов выше,
чем при средней степени тяжести.
крайне тяжелой степени
развивается при воздействии излучения в дозе
более 10 Гр. Летальный исход почти неизбежен.
ПетрГУ. О.Я. Березина
59

60.

Продолжение
следует
ПетрГУ. О.Я. Березина
60