litceysel.ru
добавить свой файл
1


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования


Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Факультет Управления и экономики высоких технологий

Институт международных отношений

Реферат на тему:

«Ядерные превращения. Деление ядер»

Выполнила: студентка У4-02 Галуева Д.О.

Научный руководитель: Самедов В.В

Москва

2011г

Содержание


Содержание 3

Введение 4

Ядерные превращения 5

Радиоактивность 7

История открытия 10

Деление ядер 12

Механизм деления 14

Описание на основе капельной модели 16

Оболочечные поправки. Двугорбый барьер деления 19

Стадии процесса деления 24

Энергия деления 26

Продукты деления 28

Применение 30

Заключение 32

Список литературы 33



Введение

В 1932 году был открыт нейтрон. Прошло 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер. Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов. За прошедшие после открытия этого явления десятки лет ядерные реакции проникли практически во все сферы деятельности человека. Ядерные реакции используются в энергетике, военной сфере, при синтезе новых элементов, в медицине и, конечно же, в ходе научных исследований. Но, несмотря на столь широкое применение, не весь потенциал ядерных превращений уже изучен, еще остается много неизведанного. Например, не приведен в жизнь еще метод термоядерного синтеза.


Широкая сфера применения ядерных превращений заинтересовала меня, побудив выбрать эту тему для доклада.


В своем реферате я рассмотрела основные виды ядерных превращений, историю их открытия, особенности протекания некоторых реакций, основные сферы применения деления ядер и остальных видов превращений.

Ядерные превращения



Изменения, происходящие в ядрах, можно разбить на три группы:

  • изменение одного из нуклонов в ядре;

  • перестройка внутренней структуры ядра;

  • перегруппировка нуклонов из одних ядер в другие.

К первой группе относятся различные виды β-распада, когда один из нейтронов ядра превращается в протон или наоборот. Первый (более частый) вид β-распада происходит с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Второй вид β-распада происходит или путем испускания позитрона и электронного нейтрино, или путем захвата электрона и испускания электронного нейтрино (захват электрона происходит с одной из ближайших к ядру электронных оболочек). Заметим, что в свободном состоянии протон не может распасться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино – для этого необходима дополнительная энергия, которую он получает у ядра. Общая энергия ядра, тем не менее, понижается при превращении протона в нейтрон в процессе β-распада. Это происходит за счет снижения энергии кулоновского отталкивания между протонами ядра (которых становится меньше). Ко второй группе следует отнести γ-распад, при котором ядро, первоначально находившееся в возбужденном состоянии, сбрасывает излишек энергии, излучая гамма-квант. К третьей группе относятся α-распад (испускание исходным ядром α-частицы – ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов), деление ядра (поглощение ядром нейтрона с последующим распадом на два более легких ядра и испускание нескольких нейтронов) и синтез ядра (когда в результате столкновения двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и, возможно, остаются легкие осколки или отдельные протоны или нейтроны).



! При α-распаде ядро испытывает отдачу и заметно смещается в сторону, противоположную направлению вылета α-частицы. В то же время отдача при β-распаде гораздо меньше. Это вызвано тем, что масса электрона в тысячи (и даже в сотни тысяч раз – для тяжелых атомов) меньше, нежели масса ядра.!


Рассмотрим, к каким метаморфозам ядер приводят три вида радиоактивности, открытые в начале XX в.:


  1. При -распаде (испускании ядра гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов) из ядра с исходными Z и A получается ядро с Z-2 и А-4.

  2. При -распаде (испускании электрона) один из нейтронов превращается в протон, а ядро с Z и A - в ядро с Z+1 и тем же A.

  3. И наконец, при испускании -кванта, т.е. энергичного фотона, ядро теряет часть энергии, сохраняя первоначальные Z и A.

Каждому элементу соответствует целый набор изотопов. Полное их число на сегодня превышает 2 тыс.

Итак, ядерные превращения возникают как вследствие процессов радиоактивного распада ядер, так и вследствие ядерных реакций, сопровождающихся делением или синтезом ядер.

Радиоактивность




Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или излучения.


К числу основных типов превращений относятся:

  1. α -распад,

  2. β- -распад,

  3. β+ -распад, или электронный захват,
  4. изомерный переход, при котором ядра переходят из возбужденного состояния с большим временем жизни (изомерные состояния) в менее возбужденное или в основное состояние,


  5. спонтанное деление тяжелых ядер.


Радиоактивные вещества испускают три вида излучения:

    • α-излучение — тяжелые положительно заряженные частицы, движущиеся со скоростью около 109 см/сек и поглощающиеся слоем алюминия в несколько микрон. Впоследствии методом спектрального анализа было показано, что этими частицами являются ядра гелия 24He.

    • β-излучение — легкие, отрицательно заряженные частицы - электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, и поглощаемые слоем алюминия толщиной в среднем 1 мм.

    • γ-излучение — сильно проникающее излучение, не отклоняющееся ни в электрическом, ни в магнитном поле. Природа γ-излучения — жесткое электромагнитное излучение, имеющее еще более короткую длину волны, чем рентгеновское.


Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Ядра, подверженные радиоактивным превращениям, называются радиоактивными (нестабильными), а не подверженные - стабильными. Такое деление условно, так как, в сущности, все ядра могут самопроизвольно распадаться, но этот процесс в разных ядрах идет с различной скоростью.

Во многих случаях самопроизвольные превращения радионуклидов приводят к образованию новых радио-изомеров, образующих так называемые радиоактивные цепочки. В конечном счете, радиоактивные превращения заканчиваются стабильным нуклидом. Радиоактивные цепочки могут быть простыми (линейными) и сложными (с ветвлениями). Доля превращения материнского радионуклида в дочерний характеризуется коэффициентом ветвления и выражается в процентах по отношению ко всем видам превращения данного ядра.


Все известные радиоактивные нуклиды объединены в изобарные цепочки, каждая из которых показывает все радиоактивные превращения ядер с данным массовым числом.

Массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом заряд следующего элемента либо повышается на единицу, либо понижается на две единицы. Эта закономерность, названная правилами смещения, очевидно, объясняется тем, что радиоактивное превращение сопровождается либо испусканием β-частицы (электрона), в результате чего заряд ядра повышается на единицу, а массовое число остается неизменным, либо испусканием α-частицы, уносящей четыре массовые единицы и двойной заряд.


Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно

dN = -λNdt

Вероятность распада λ входит в это уравнение в качестве коэффициента, который называется постоянной распада. Знак минус соответствует убыванию вещества в процессе распада. Закон изменения числа радиоактивных ядер со временем:

N = N0exp(-λt),


где N0 – число атомов вещества до начала распада. Если в полученное уравнение подставить вместо времени t период полураспада T½, то можно найти связь постоянной распада λ с периодом полураспада T½. Действительно, так как N(T½) = N0/2, то N0exp(-λ T½) = N0/2 и exp(-λ T½) = 1/2, откуда


Старейшей, до сих пор наиболее употребительной единицей радиоактивности является Кюри (Ки) и ее дольные единицы: миллиКюри (1 мКи=10-3 Ки) и микроКюри (1 мкКи=10-6 Ки). По первоначальному определению кюри есть активность одного грамма изотопа радия 88226Ra. Однако для удобства измерений это определение в дальнейшем было заменено следующим:


1Ки = 3,700·1010 Бк,

где единица активности в системе СИ в 1Бк (Беккерель) соответствует такой активности, при которой происходит один распад за 1 секунду.

Гамма-излучение ядер


Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (Eγ < 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада,

Испускание γ-лучей ядрами, возбужденными значительно выше энергии отделения частицы, бывает связано с запретом по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-лучей относительно более вероятным. Примером такого рода является испускание γ-лучей с энергией 17 Мэв в результате реакции , идущей под действием s-протонов.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10-8 см ≥ λγ ≥ 10-11 см.

История открытия

В 1932 году был открыт нейтрон. Но прошло целых 7 лет, прежде чем было обнаружено деление ядер (Деление ядер – поистине поразительное явление: оно сопровождается сильной радиоактивностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию от ранее известных процессов).



В Европе было несколько лабораторий, занимавшихся ядерной физикой. В то время наука развивалась благодаря разрозненным усилиям отдельных ученых, каждый из которых работал только с одним или двумя студентами и ассистентами.


  • В Париже имелось несколько лабораторий из числа самых активных исследовательских учреждений в Европе. Здесь была открыта радиоактивность. В Париже работала Мария Кюри (1867 - 1934 гг.). В то время техника измерений – ионизационные камеры и электрометры – была совсем проста, та же, что и на рубеже 2х столетий. Этого было достаточно при измерении естественной радиоактивности элементов, но такое оборудование совершенно не отвечало требованиям, которые возникали при выполнении многих работ, посвященных делению ядер.

  • Вторым местом, представляющим интерес, был Кембридж. Эрнесту Резерфорду, который стоит за всеми исследованиями, выполненными в Кембридже, удалось расщепить в 1919 г. атомное ядро. С 1909 г. он с особым интересом занимался вопросами обнаружения и счета отдельных ядерных частиц.

  • Третья лаборатория находилась в Вене.

  • В Германии исследования по ядерной физике велись в нескольких местах. Группа Отто Гана и Лизе Мейтнер (это была одна из первых групп, где начали изучать радиоактивные элементы) к этому времени разделилась на 2 группы, проводившие независимые исследования.

  • Кроме того в Германии работал Ганс Гейгер. Еще до 1909 г. в дни, предшествовавшие открытию ядра, он работал у Резерфорда. В 1928 г., Гейгер вместе с В. Мюллером разработали счетчик для регистрации -лучей.

В 1932 г., который с полным правом можно назвать «годом чудес», был открыт нейтрон, и Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую статью, в которой предполагалось, что ядра состоят из нейтронов и протонов. Кроме того, произошли 2 других важнейших события. В США Эрнест О. Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Кокрофт и Уолтон построили первый ускоритель протонов, которые были способны расщеплять ядра. Эти машины положили начало огромному скачку в развитии ядерной физики.


После открытия нейтронов интерес к ним заметно возрос, но никто не знал, что именно надо делать. Нейтроны, в конце концов, были вторичными продуктами расщепления ядер, число их было невелико. Выход нейтронов был мал, так как для облучения использовались элементы с естественной –радиоактивностью.

Кроме того, одним из главных детекторов была камера Вильсона, с помощью которой удается обнаружить лишь незначительное число реакций, в которых участвует нейтрон.

Электронная методика счета тогда только развивалась. Основным поводом для ее развития послужили неверные результаты, полученные в Вене; оказалось, что их никто не смог подтвердить. Поэтому необходимость разработки электронных счетчиков и усилителей стала очевидной. Венские ученые сами начали вести работы в этом направлении, но без особого успеха.

Путь, который привел к созданию хороших счетчиков, был найден в Англии Чарльзом Вином-Вильямсом.

В 1934 г. Кюри и Жолио открыли искусственную радиоактивность. Они обнаружили, что алюминий, облучаемый -частицами, излучает позитроны, но им никогда не приходило в голову, что здесь может играть какую-то роль процесс распада. Они наблюдали испускание позитронов только во время облучения мишени. Никому не пришла в голову мысль о том, что в результате ядерного расщепления может возникнуть нестабильное ядро, хотя о существовании нестабильных ядер было уже известно лет тридцать или более того. Итак, так как при изучении исследовались только -частицы, не думали о нестабильных ядрах. Но к этому времени, в Риме у Ферми, который решил, что в ядерной физике есть еще важные и интересные направления исследований, уже были наготове некоторые экспериментальные установки. Он поставил эксперименты с целью понять, могут ли ядра становиться радиоактивными под действием нейтронов. Не прошло и 4х недель после открытия Кюри и Жолио, как Ферми опубликовал первые результаты, доказывавшие, что различные элементы становятся радиоактивными после их облучения нейтронами.


Спустя месяц он заявил, что при бомбардировке урана возникает некий новый тип радиоактивности, который, как ему кажется, должен быть связан с трансурановыми элементами. На основании теоретических соображений и экспериментальных данных тогда считали, что поглощение нейтронов тяжелыми элементами не может привести к их распаду. Поэтому все были уверены в том, что так должно быть и в случае с ураном.


Некоторое время спустя ученые Отто Ган и Лизе Мейтнер провели ряд исследований и обнаружили цепочки радиоактивных элементов, которые затем классифицировали. Были обнаружены три параллельные цепочки. Судя по образующимся продуктам распада, все вновь полученные элементы вели свое начало от 238U, возможно, что некоторые из них происходили от 235U. Большая длина цепочки казалась непонятной. Уран сам по себе не был -радиоактивным. Другие элементы этой группы никогда не испытывают больше двух последовательных -распадов, а здесь наблюдалось все 4 или 5.

Несколько позже, Ган и Штрассман обнаружили радиоактивные продукты, напоминавшие своим поведением актиний и отчасти радий.

Деление ядер


Делением называется реакция расщепления атомного ядра (обычно тяжелого) на две (иногда на три) примерно равные по массе части (осколки деления).


Тяжелые ядра (Z≥ 90) делятся как после слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например, в результате облучения его нейтронами с энергией Tn ≈ 1 Мэв, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (вынужденное деление), так и без предварительного возбуждения, т. е. самопроизвольно (спонтанное деление).

Ядра с Z < 90 делятся только вынужденным способом (точнее говоря, они имеют слишком большой период полураспада спонтанного деления), причем энергия возбуждения, необходимая для деления, растет с уменьшением параметра деления Z2/A. Вынужденное деление происходит практически мгновенно (τ ≈ 10-14 сек). Период полураспада для спонтанного деления меняется для разных ядер в очень широких пределах (от 1018 лет до нескольких десятых долей секунды для далеких трансурановых элементов).


В процессе деления ядра освобождается энергия Q ≈ 200 Мэв, значительную часть которой (