12-дәріс. Ядролық реакциялардың физикасы. Ядролык реакцияның кимасы. Ядролык реакциялар кезіндегі сақталу заңдары. Ядролык реакциялардың механизмі. а-болшектердің, протондардың, нейтрондардың у-кванттардың әсерімен өтетін ядролык реакциялардың ерекшеліктері. Трансурандык элементтер.
12.1. Ядролық реакциялар және олардың негізгі түрлері
Ядролык реакциялар - элементар бөлшектермен (оның ішінде γ- квантпен) немесе бір-бірімен әсерлескен кездегі атомдык ядролардың түрленуі.
Реакциялар символдық түрде былай жазылады:
 немесе Х(а, )Y
мұндагы X жэне Ү - бастапкы жэне ақырғы ядро, а жэне b - ядролык реакция кезінде аткылайтын жэне шыгаратын (шыгарылатын) бөлшектер.
Кез келген ядролык реакция кезінде электр зарядының жэне массалық сандардың сацталу заңдары орындалады: ядролык реакцияга түсетін ядро мен бөлшек зарядтарының (массалык сандарының) косындысы реакцияның соңғы өнімі (ядро мен бөлшек) зарядтарының (массалык сандарының) косындысына тең. Сондай-ак энергияның, іімпулъстің және импулъс моментінің сақталу заңы да орындалады.
Ядролык реакциялар экзотермияльщ (энергияның бөлінуімен жүретін реакция) жэне эндотермиялық (энергияның жүтылуымен жүретін реакция) деп болінеді.
Ядролык реакциялар бірнеше кезеңмен өтеді. Бірінші кезеңде ұшып келген бөлшек ядро нысанада тоқтап, құрама ядро немесе компаунд-ядро түзеді жэне оның энергиясы кандай-да бір нуклонға берілмейді, ол күрама ядроның барлык бөлшектеріне біркелкі таралады, олай болса бөлшектердің бірде біреуі ядродан шығып кетуге жеткілікті энергияны ала алмайды. Құрама ядро сұйық тамшысындағы бөлшектердің козғалысына ұқсас, бейберекет козғалыс жасайтын болшектердің қоздырылған статистикалық жүйесі деп қарастырылады. Құрама ядро бөлшектері арасындағы коздыру энергиясының біркелкі таралуынан кездейсоқ ауытқу нәтижесінде олардың біреуіне ядродан үшып шығуға жеткілікті энергия шоғырланады. Ядролык реакцияның екінші кезеңі бірінші кезеңнен кейін (107÷108 )-я уақыт өткенде өтеді, мұндағы я –сипаттамалық ядролық уақыт (~ 10-22 с). Компаунд-ядро түзілуімен жүретін ядролык реакцияның схемасы:
  +
мұндағы  -бастапкы ядро-нысана, а-ұшып келе жаткан бөлшек,
 -кұрама ядро,  -ядро - ядролық реакцияның өнімі, b-реакция нәтижесінде ядродан ұшып шыққан бөлшек.
Егер a ≡ b онда ядродан бөлшектер шашырайды: Eb = Eaкезінде серпімді.Eb≠ Eaсерпімсізшашырайды. Егер де шығарылған бөлшек қармап алынған бөлшекпен b ≠ a тен болмаса онда ядролық рекация тура мағынады жүреді.
Ядролық реакциялар:
Реакцияға қатысатын бөлшектердің тегі бойынша нейтрондардың, зарядталған бөлшектердің, γ-сәулелердің әсерінен болатын реакциялар;
Реакцияны тударатын бөлщектердің энергиясы бойынша – аз, орташа және жоғары энергия кезіндегі реакциялар;
Реакцияға қатысатын ядролардың тегі бойынша – жеңіл (А<50), орташа (50100) ядролардағы реакциялар;
Ядролық түрленудің сипаты бойынша – нейтрондарды, зарядталған бөлшектерді шығарумен жүретін реакциялар; қармау реакциялары (бұл жағдайда құрама ядро ешқандай бөлшек шығармайды, ал өзі бір немесе бірнеше γ-квант шығарып, негізгі күйге өтеді).
классификацияланады.
Тарихта алғаш рет Резерфорд азот ядросын α-бөлшектермен атқылау арқылы ядролық реакцияны жүзеге асырады:
12.2.нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар
Жылдамдығына (энергиясына) байланысты нейтрондарды баяу және шапшан деп бөледі:
Баяу нейтрондар:
Ультрасуық (≤10-7 эВ)
Өте суық (10-7÷10-4 эВ)
Суық (10-4÷10-3 эВ)
Жылы (10-3÷ 0.5эВ)
Резонанстық (0.5÷104 эВ)
|
Шапшаң нейтрондар
шапшаң (104÷108 эВ)
жоғары энергия (108÷1010 эВ)
релятивистік (≥1010эВ)
|
Баяулататын зарядтарда (графит, ауыр су D2O, HDO, бериллий қоспалары) шапшаң нейтрондар ядрода шашырайды және олардың энергиясы баяулатқыш зат атомдарының жылулық қозалыс энергиясына айналады.
Баяу нейтрондарядролық реакцияны қоздыру үшін тиімді, себебі олар атомдық ядроның жанында ұзақ бола алады, сондықтан ядроның нейтронды қармап алу ықтималдылығы өте үлкен.
Баяу нейтрондар үшін ядрода серпімді шашырау ((n,n)түріндегі реакция) және радиациялық қармау ((n,γ)түріндегі реакция) тән. (n,γ) түріндегі реакция кезінде бастапқы заттың жаңа изотопы түзіледі.
мысалы, кадмий изотпының түзілуі 
Жылулық нейтрондардың әсерінен жеңіл ядрода протон және α-бөлшекті шығара отырып нейтронды қармап алу реакциясы байқалады ((n, р) және (n, α)түріндегі реакциялар):
Негізінен (n, p)және (n, α)түріндегі реакциялар шапшаң нейтрондардың әсерінен жүреді, өйткені бұл жағдайда протондар мен α-бөлшектердің ұшып шығуына кедергі жасайтын потенциалды тосқауылдан өтуге энергия жеткілікті.
Шапшаң нейтрондар үшін (n, n`)серпімсіз шашырау байқалады:
 * +  `
мұндағы ядродан ұшып шыққан ` нейтронның энергиясы ядроға келе жатқан нейтронның энергисынан аз болады, ал нейтроны ұшып шыққан ядро  * қозған күйде қалады, сондықтан оның қалыпқы күйге көшуі γ-кванты шығарумен ілесе жүреді.
Электрондар энергиясы 10 МэВ-қа жеткен кезде (n, )түріндегі реакция мүмкін болады. Мысалы:
реакция нәтижесінде β-- активті изотоп түзіледі, ол мына схема бойынша ыдырайды:
13-дәріс. Атом ядроларының бөлінуі және синтезі. Бөлінудің қарапайым теориясы. Бөліну көрсеткіші. Спотандық бөліну. Уран изотопының нейтрондардың әсерімен бөлінуі. Тізбекті реакция. Көбею коэффициенті. Реакторлар ядролық энергетика. Жеңіл ядролардың синтезі. Басқарылатын термоядролық реакция мәселесі. Жұлдыздардағы ядролық реакциялар.
Ядролық энергетика, радиациялық қауіпсіздік және экология мәселелері. Қазақстандағы ядролық физика және ядролық энергетика саласындағы зерттеулердің дамуы.
13.1. Атом ядроларының бөлінуі реакциялары
Нейтронды резонанстық кармау кезінде қоздырылған ауыр компауынядро шамамен екі бірдей бөлікке бөліне алады (ауыр ядроныңбөліну реакциясы). Түзілген бөліктербөлінудің жарқыншақтары деп аталады. Ауыр ядролардың тұрақсыздығы ядроларды орналасқан көп протондардың өзара тебуіне негізделген.
Бөліну реакциясының мысалы:
Ауыр ядроның екі жарқыншаққа бөлінуі әрбір нуклонға шамамен 1 MэВ энергияның бөлінуімен ілесе жүреді. Бұл массасы орташа ядролар үшін меншікті байланыс энергиясы шамамен 8,7 МэВ-ті құрайды, ал ауыр ядролар үшін ол 7,6 МэВ-ка тең. Мысалы 283нуклоны бар  уран ядросын бөлген кезде шамамен 200МэВ энергия бөлінеді.
Атом ядросын бөлу теориясының негізінде ядроның тамшы моделі жатыр. Ядро кванттық механика заңына бағынатын және ядролыққа тең тығыздығы бар электрлік зарядталған сұйықтың тамшысы (а) ретінде қарастырылады. Нейтронды қармаған кезде мұндай зарядталған тамшының тұрақтылығы бұзылады, ядро тербеле бастайды – біресе созылады, біресе сығылады.
Ядроның бөліну ықтималдылығы активация энергиясымен – ядроның бөліну реакциясын жүзеге асыруға қажетті минимал энергиясымен анықталады. Қоздыру энергиясы бөлінудің активация энергиясынан азболған кезде ядро-тамшы деформациясы шегіне жетпейді де,ядро бөлінбейді (б) және у-квантын шығарып негізгі энергетикалық күйге қайтып келеді.
Қоздыру энергиясы бөлінудің активация энергиясынан көп болса ядротамшы деформациясы шегіне жетеді және тамшы созылып (в), үзіле бастайды (г) және ядро бөлінеді (д).
Ауыр ядролар Z²/A≥17 шарты орындалғанда бөлінуге қабілетті, мұндағы Z²/A- бөліну параметрі. Бұл шарт бөліну параметрі Z²/A ≈20-ға тең  күмістен бастап барлық ядролар үшін орындалады.
Бөлінудің классикалық параметрі деп (Z²/A)крит= 49-ға тең параметрді айтады. Критикалық мәннен, яғни Z²/A>49-дан жоғары бөліну параметрі бар ядролар бөлінуге қатысты тіпті тұрақсыз. Мұндай ядролар пайда болса да 10-23 ÷ 10-24 c ішінде тез бөлініп кетер еді.
Z²/A<49 кезде ядро өздігінен (спонтанды) бөлінуі мүмкін. Бірақ та ядролардың спонтанды бөлінуінің жартылай ыдырау периоды1016÷ 1017 жыл.
Бөлінудің жарқыншақтары өздерінің түзілу мезетінде артық нейтрондарға ие болады, өйткені орташа ядорлар үшін протондар саны нейтрондар санына шамамен тең (N Z ≈ 1), ал ауыр ядролар үшін нейтрондар саны протондар санынан едәуір артық болады (N Z ≈ 1.6). Жарқыншықтар шығаратын артық нейтрондар бөлінудің нейтрондары деп аталады. Бөлінудің әрбір актісіне орта есеппен жарқыншақтан шығатын 2.5 нейтрон келеді. Олардың көпшілігі лезде (t <10-11 c) шығады, оларды лездік нейтрондар деп, ал қалған (0,7%) бөлінуден кейін біраз уақыт өткеннен кейін шығады, олардың кешігетін нейтрондар деп атайды.
Достарыңызбен бөлісу: |
