Семей 2013 Мазмұны

«Бэта-ыдырау» термині ядролық түрленудің үш типін белгілейді: электронды β^- және позитронды β⁺ ыдыраулар, сондай-ак электронды қармау (баска аты - е- қармау немесе К-кармау).









β- электрондар ядроның ішінде ядродағы нуклонның бір түрінен басқа









Нейтронның тыныштык энгергиясы сутегі атомының тыныштык

Еркін протондар үшін /3⁺- ыдырау байкалмайды, бірак та ядрода

Бэта-ыдырау кезінде шығарылған электрондардың энергетикалык спектрі β-спектр энергиясының жоғарғы шекарасына

Еркін нейтрондардың β^--радиоактивтілігі үшін Е_тах =782 кэВ.

Протон нейтронға түрленіп, К -электронды «қармап» алғандай болады.



Гамма-сәулелену энергиясы ядролардың қозған энергетикалық күйден

γ-сәулелену радиоактивтіліктің өздігінен шыгарылмайтын типі. Ол α- жэне β-ыдырауларда ілесе жүреді және ядролардың заряды мен массалык санының өзгеруін тудырмайды. γ-сәуле тума ядродан (аналык ядродан емес) шығарылады жэне өзінің түзілу мезетінде қоздырылған күйде болады. Ядроның коздырылған күйінен негізгіге өтуі шамамен 10^-13 ÷10^-14 с уақытта өтеді, бұл коздырылған атомның омір сүру уакытынан (10^-8 с) едәуір аз.

γ-сәулелену спектрі сызықты болып табылады, бүл атом ядроларының энергетикалык күйлерінің дискреттілігін дәлелдейді.

γ-сәуле өте кысқа толкынды болғандыктан, оның толқындык касиеті әлсіз байкалады, ал корпускулалык касиеті айкын корінеді. Сондыктан γ- сәулеленуді γ-квант бөлшектерінің ағыны ретінде қарастырады.

γ-кванттар нөлдік тыныштык массасына ие бола отырып ортада баяулай алмайды, сондықтан γ-сәуле заттан өткен кезде не онда жүтылады, не одан шашырайды.

γ-сәуле заттан өткен кезде ілесе жүретін негізгі процестер:

• 
  Комптон-эффект (комптондык шашырау) Е ≈ 500 кэВ
  

Егер γ-квант энергиясы ядродағы нуклондардың байланыс энергиясынан (7 ÷ 8 МэВ) артық болса, онда γ-кванттың жүтылу нәтижесінде ядролық фотоэффект - нуклонның біреуін, көбіне нейтронды ядродан шығарып тастауы байқалады.

Сцинтилляциялы санау

Егер санауыш бөлшектердің тікелей әсерінен түзілген иондарды тіркейтін болса, онда мүндай санауыш импульсті иондаушы камера деп аталады.

Алғашқы иондардың газ атомдары мен молекулаларына соқтығысуына және нәтижесінде газда разряд тудыруға негізделген екінші ретті иондалу маңызды роль аткаратын санауыштар газ разрядты санауыштар деп аталады. Газ разрядты санауыштың мысалы - Гейгер-Мюллер санауышы.



Жартылай өткізгішті санауыштар – жартылай өткізгіш диодтар, тіркелетін бөлшектер одан өткен кезде, диод арқылы өтетін электр тогының пайда болуына әкеледі.



Вильсон камерасы – нейтрал газбен толтырылған поршеньмен нығыз жабылған цилиндр. Газды өте тез (адиабатылық) ұлғайтқан кезде, ол қанығады және камера арқылы өткен бөлшектердің траекториясында тұманнан тректер (сызықтар) түзіледі. Осы тректер суретке түсіріледі.





Көбікиіелі камера - конструкциясы жағынан Вильсон камерасына ұксас жэне мөлдір жылытылған сұйыкпен толтырылған. Камера аркылы ұшып өткен зарядталған бөлшек сұйыктың өте жылдам кайнауын тудырады жэне осы газ көбікше тізбеғінен болшектің траекториясы - трек түзіледі, ол Вильсон камерасындағыдай суретке түсіріледі. Вильсон камерасына қарағанда көбікшелі камераның эффективті колемі 2-3 есе көп, себебі сұйық газдарға карағанда тығыздырак.



Ядролық фотоэмульсиялар - қалың кабатты фотографиялық эмульсиялар, зарядталған бөлшек одан өткен кезде эмульсияда жасырын бейне түзілуіне әкелетін, ионизация тудырады. Айкындағаннан кейін зарядталған болшектердің іздері күмісті металл түйіршіктері түрінде байқалады. Энергиясы жоғары бөлшектерді зерттеу үшін көп пластиналар - саны көп маркіленген фотоэмульсиялык пластиналар колданылады, оларды бөлшектердің жолына орналастырады жэне айкындағанннан кейін микроскоптың көмегімен өлшейді.
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,





1. 
   Реакцияға қатысатын бөлшектердің тегі бойынша нейтрондардың, зарядталған бөлшектердің, γ-сәулелердің әсерінен болатын реакциялар;
   
2. 
   Реакцияны тударатын бөлщектердің энергиясы бойынша – аз, орташа және жоғары энергия кезіндегі реакциялар;
   
3. 
   Реакцияға қатысатын ядролардың тегі бойынша – жеңіл (А<50), орташа (50100) ядролардағы реакциялар;
   
4. 
   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).
   

Тарихта алғаш рет Резерфорд азот ядросын α-бөлшектермен атқылау арқылы ядролық реакцияны жүзеге асырады:

Жылдамдығына (энергиясына) байланысты нейтрондарды баяу және шапшан деп бөледі:

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.



Шапшаң нейтрондар үшін (n, n`)серпімсіз шашырау байқалады:











Электрондар энергиясы 10 МэВ-қа жеткен кезде (n,_)түріндегі реакция мүмкін болады. Мысалы:

реакция нәтижесінде β^-- активті изотоп түзіледі, ол мына схема бойынша ыдырайды:

Ядролық энергетика, радиациялық қауіпсіздік және экология мәселелері. Қазақстандағы ядролық физика және ядролық энергетика саласындағы зерттеулердің дамуы.

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.

Бөліну реакциясында пайда болған лездікнейтрондардың әрқайсысы бөлінетін заттың көршілес ядросымен әсерлесіп, онда бөліну реакциясын тудырады.

Осы кезде өліну актісінің саны тасқын тәрізді өседі де бөлінудің тізбекті реакцияны тудыратын бөлшектер осы реакцияның өнімі ретінде түзілетін ядролық реакциялар басталды.

Көбейетін нейтрондардың болуы тізбекті реакциясының пайда болу шарты болып табылады.

Тізбекті реакциянын дамуының қажетті шартыk>1. Мұндай реакция өсетін реакция деп аталады.k=1 кезінде өзін демейтін реакция жүреді.k<1 кезінде өшетін реакция жүреді.

Екінші нейтрондардың қандай-да бір бөлігі тізбекті реакцияны демеуге қатыспайды бөлінбейтін қоспаға қармалады, ядроға қармалай реакция зонасынан шығып кетеді, серпімсіз шашырау процеінде энергиясын жоғалтады және т.б.

Сондықтан, көбею коэффиенцеті бөлінетін заттың табиғатына тәуелді, ал берілген изотоп үшін оның санына, тізбекті реакция өтетін кеңістіктің- активті зонаның өлшемі мен пішініне тәуелді болады.

Тізбекті реакцияны жүзеге асыруға мумкін болатын активті зонаның минимал өлшемдері критикалық өлшемдер деп аталады.

Критикалық өлшемдер жүйесінде орнкаласқан бөлінетін заттың минимал массасы критикалық масса деп аталады.

Тізбекті реакциялар басқарылатын және басқарылмайтын деп бөлінеді. Атомдық бомбоның жарылуы басқарылмайтын реакцияны мысалы бола алады. Баскарылатын тізбекті реакциялар ядролық реакторларда жүзеге асады.