Семей 2014 Мазмұны



бет6/8
Дата29.06.2016
өлшемі7.58 Mb.
#166041
1   2   3   4   5   6   7   8

10.2. Бэта-ыдырау

«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).



Түрленудің алғашқы екі түрінде ядро электрон  (позитрон ) және электронды антинейтрино  (электронды нейтрино е) шығарады.

β- электрондар ядроның ішінде ядродағы нуклонның бір түрінен басқа


түріне - нейтроннан протонға немесе протоннан нейтронға - түрленген
кезде өтетін проңестердің нәтижесінде туындайды.
--ыдырау)

+- ыдырау)
Мүнда  және - нейтро мен протонның белгіленуі.

Нейтронның тыныштык энгергиясы сутегі атомының тыныштык


энергиясынан 782 кэВ-ка артык. Осы энергияның есебінен нейтронның
протонға өздігінен түрленуі - ыдырау және ядродан тыс түрленуі орын
алады. Шынында да, [3 - электрондар еркін нейтрондардың радиоактивті
ыдырауы кезінде туады жэне 782 кэВ энергияға ие.

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


байланған протон үшін бөлшектердің ядролык әсерлесуінен, бүл реакция
энергетикалык түрғыдан мүмкін болады.

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


Етах дейін жойылатын үздіксіз болып табылады. Бэта-ыдырау кезінде
ядроның жоғалтатын толык энергиясы барлық уакытта Етах-ға тең, бірак ол
электрон мен антинейтрино арасында әртүрлі таралады. Электрон энергиясының максимал мэні Е = Етах барлык энергияны электрон алып кететінін білдіреді, электрон энергиясының нөлдік мәні барлық энергия антинейтриномен кететініне сәйкес келеді.

Еркін нейтрондардың β--радиоактивтілігі үшін Етах =782 кэВ.



е - қармау немесе К -қармау жағдайында протонның нейтронға
түрленуі мына схема бойынша жүреді:

Осы кезде ядроға жақын атомның К - кабатынан бір электрон
жоғалады.

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


Бэта-ыдыраудың бұл типінің ерекшелігі ядродан тек е антинейтрино
ұшып шығатынында. Атомның К -кабатынан бір электронның жоғалуы
атомның ішкі электрондық қабықшаларынының арасында сипаттамалың
рентген сәулеленумен
бірге жүретін электрондың ауысуларға әкеледі.


10.3. Гамма-сәулелену

Гамма-сәулелену энергиясы ядролардың қозған энергетикалық күйден


негізгі немесе аздау қоздырылған күйге өткен кезде, сондай-ак ядролық реакциялар кезінде шығарылатын қатаң электромагниттік сәулелену болып табылады.

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:



фотоэффект немесе γ-сәуленің фотоэлектрлік жұтылуы - атомның γ-квантты жүту салдарынан ішкі электрондык кабыкшасынан электронды және сонымен бірге сипаттамалык рентген сәулесін шығаруы. Фотоэффектіде γ-кванттың энергиясы аз аймактарында Е < 100 кэВ жұту механизмі басым.

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

энергияларда γ-кванттың затпен әсерлесуінің негізгі механизмі болып табылады.

- Электронды-позитронды жұптың тузілуіу > 1,02 МэВ = 2тес2)

Еу > 10 МэВ энергияларда γ-кванттың затпен әсерлесуінің негізгі процесі болып табылады.

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.


11-дәріс. Ядролық физиканың эксперименталдық әдістері. Ядролық сәулелерді тіркеу әдістері: Гейгер-Мюллер санауышы, сцинтилляциялык әдіс, пропорциональдық санауыш, көбікшелі камера, Вильсон камерасы, фотоэмульсия әдісі, зарядталған бөлшектердің үдеткіштері.


11.1. Радиоактивті сәулелер мен бөлшектерді тіркеуге арналған аспаитар
Радиоактивті сәулелер мен бөлшектерді тіркеу жэне байқау олардың иондалу жэне орта атомдарын коздыру кабілетіне негізделген.

Сцинтилляциялы санауыш - негізгі элементтері сцинтиллятор (өзіне түскен бөлшектерді жарық жарқылына сәулелендіретін - кристаллофосфор,) жэне әлсіз жарықтың жарқылын электрлік импульске түрлендіруге мүмкіндік беретін, фотоэлектронды кобейткіш болып табылатын ядролық бөлшектердің детекторы. Түрленген электрлік импульстер электрондык аппаратурамен тіркеледі.

Иондаушы санауыш - газбен толтырылған электрлік конденсаторлар - зарядталған болшектердің газдың иондалуын тудыратын қабілетіне және сол электр өрісінде ионизаңия өнімдерін бөлуге негізделген.

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,



-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:

  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).

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.


13.2. Бөлінудің тізбекті реакциясы

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.



Көбейетін нейтрондардың коэффициентіk реакциясының қандай да бір звеносында пайда болған нейтрондар санынң алдындағы звенодағы осындай нейтрондардың санына қатынасын айдаты.

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.



Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8




©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет