ОҚУ-Әдістемелік кешен «нейтрондық физика» арнайы курсы

ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕН

«НЕЙТРОНДЫҚ ФИЗИКА» арнайы курсы

бойынша

5В060400 «Физика» мамандығы бойынша оқитын

Оқу-әдістемелік бағдарламаны құрастыған, аға оқытушы:

Мешетова Ж.С..

Кафедра отырысында бекітілді

Хаттама №10, 25.06.2015 ж.

Кафедра меңгерушісі_______________п.ғ.д., профессор Маусымбаев С.С.

Физика-математика факультетінің оқу-әдістемелік кеңесі мақұлдаған

Хаттама № 6, 26.06.2015 жыл .

Жаратылыстану -математика факультетінің мәжілісінде бекітілді

Хаттама №.1 01.09.2015.
Физика-математика факультетінің

деканы, физика-матем.ғ.к., доцент: Берикханова Г.Е.

2.Дәріс конспектілірі

3.Пәнді оқуға арналған әдістемелік нұсқаулар

- Лабораториялық сабақтардың нұсқаулары

- СОӨЖ ның әдістемелік нұсқаулары

- СӨЖ ның әдістемелік нұсқаулары

4.Білімдерді бақылау-өлшеу құралдары

1 Глоссарий

Планк гипотезасы электромагниттік сәуле жиілігіне пропорционал энергияның жеке үлестері (кванттары) түрінде шығады.

«Ультракүлгін күйреуі» деп классикалық физиканың Кирхгоф функциясына арналған қара дененің сәуле шығарғыштығының жиілікке тәуелділігінің тәжірибелік мәліметтерін қанағаттандыратын өрнегін классикалық физика әдісімен іздеудің мүмкін еместігін айтады.

Ядролық реакция деп ядроны ( немесе ядроларды) түрлендіруге келтіретін атом ядросының элементар бөлшекпен өзара әсерлесу процесін айтады.

Атомның орталық бөлігі -ядрода іс жүзінде атомның барлық делік массасы және оның оң электрлік заряды шоғырланған. Бір протоны бар сутегі атомының ядросынан басқа ядролардың барлығы нуклондардан – протон мен нейтрондардан (Иваненко-Гейзенберг моделі) тұрады.

Ядро заряды Ze-ге тең, мұнда е –протон зарядының шамасы, Z – зарядтық сан, ол Менделеевтің периодтық жүйесіндегі химилық элементтің реттік нөмірі (атомдық нөмір). Қазіргі уақытта Z-тің мәні 1-ден (сутегі) 118-ге дейінгі (юнуноктий) ядролар белгілі.

Ядродағы нуклондар санын A = N + Z массалық сан дейді, мұнда N –нейтрондар саны. Z- тері бірдей, бірақ әрбасқа массалық саны А бар ядролар, изотоптар деп аталады; А-лары бірдей, бірақ Z-тері әрбасқа ядролар - изобралар; Нейтрон сандары N бірдей ядролар- изотондар; бұдан басқа A және Z сандары бірдей радиоактивті ядролар- изомерлер бар, олардың жартылай ыдырау периодтары әртүрлі.

Қазіргі уақытта 300-ге жуық орнықты және 2000-нан астам химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары бар.

Ядроларды белгілеу үшін келесі _ZX^A немесе ^A _ZX, символдар қолданылады, мысалы, ₁Н¹.

Ядродағы нуклондар-фермиондар. Ядроның спині – ядроның меншікті импульсының моменті, мұндағы I – ішкі (толық) спиндік кванттық сан. Ядроның спині нуклондардың санымен анықталады.

Нуклондардың меншікті магниттік моменттері бар, олар ядроның меншікті моментін анықтайды, өлшем бірлігі ядролық магнетон , m_p –протонның массасы.

Ядроның байланыс энергиясы - нуклондарды бөлуге кететін (кинетикалық энергиясыз) жұмыс. Ол еркін нуклондардың энергиясы мен олардың ядродағы энергияларының айырмасына тең.

(5.1)

мұндағы Δm – массаның ақауы, ол нуклондардың ядро құрағандағы энергияларының азаюын сыйпаттайды, с – электродинамикалық тұрақты.

m_p, m_n –протонның және нейтронның массалары, М_Я –ядроның массасы. Массалар массаның атомдық өлшем бірлігімен өлшенуі мүмкін.

Кей кезде ядроның және протонның массаларын атомның массасымен М_а және сутегі атомының массасымен m_H алмастырады, онда

(5.3)

меншікті байланыс энергиясының массалық санға А тәуелділігі көрсетілген. Массалық сандары 50≤А≥ 60 (Cr-Zn) аралықтағы нуклондардың байланыстары күшті екені көрініп тұр. Олар үшін Е_св = 8,7 МэВ/нуклон. Ең ауыр табиғаттық ядро үшін Е_св = 7,5 МэВ/нуклон.

Мұндай тәуелділік ауыр ядролардың бөлінуінің және жеңіл ядролардың қосылуының (синтез) энергиялық мүмкіндігін көрсетеді.

53-сурет

Атомдық ядроларда ерекше ядролық тарту күштері әсер етеді, олар гравитациялық және электромагниттік күштерден бөлекше келеді, олардан әлдеқайда асып түседі. Бұлар күшті өзара әрекеттесетін күштер класына жатады.

Ядролық күштердің негізгі қасиеттері:

1. Ядролық күштер аз қашықтықта әсер етеді. Олардың әсерлік радиусы шамамен 1ферми (10^-15 м ).

2. Олар зарядқа тәуелді емес, яғни екі протонның, екі нейтронның немесе протон мен нейтронның әсерлесу күштері бірдей.

3. Ол күштердің қанығу қасиеттері бар, яғни, әрбір нуклон саны шектеулі басқа нуклондармен ғана әсерлеседі.

4. Ядролық күштер әсерлесетін нуклондардың спиндерінің бағыттарына тәуелді.

Мысалы, протон мен нейтроннан тұратын ₁Н² изотопы олардың спиндері параллель болғанда ғана дейтрон ядросын құрайды.

5.Ядролық күштер орталық күштер емес, яғни нуклондардың центрлерін қосатын сызықтар бойынша әсерлеспейді.

Ядролық күштердің алмасулық сыйпаттамалары бар. Бүгінгі көзқарастар бойынша нуклондар өзара виртуал π-мезондармен- ядролық өріс кванттарымен алмасады. Мұндай гипотезаны бірінші рет 1935 ж. жапон физигі Х.Юкава айтты, ол 1947 ж. Оккиалини мен Поуэлл тәжірибелерімен дәлелденді.

Виртуал процестер нәтижесінде нуклон виртуал π-мезондардың ядролық өріс бұлтымен қоршалған сияқты:

Нуклондар арасындағы алмасулық әсерлесуді виртуал процестермен суреттеуге болады:; ;

Күшті өзара әрекеттің өте күрделілігіне байланысты осы уақытқа дейін атомдық ядроның қалыптасқан теориясы жоқ. Көптеген ядро модельдерінің ішіндегі екеуіне ғана тоқталамыз: тамшылы және қабықшалар модельдері.

Бор мен Френкельдің (1936) тамшылы моделі ядродағы нуклондар мен сұйық тамшысындағы молекулалардың арасындағы ұқсастыққа негізделген – аз қашықтықта әсерлесу, қанығу қасиеті, тұрақты тығыздық, көлемнің бөлшектердің санына пропорционалдығы. Бұл модель ядроның байланыс энергиясының формуласын алуға мүмкіндік берді және ядролардың бөліну реакциясын түсіндіре алды. Бірақ ол сиқырлы санды (2,8,20,28,50,82,126) нуклондары бар ядролардың аса орнықтылығын түсіндіре алмады.

Мария Гепперт-Майер және басқалардың (1949) қабықшалар моделінде нуклондар дискретті энергиялық деңгейлерде Паули принципі бойынша орналасады. Деңгейлерден қабықшалар жасалады, оларда саны анықталған нуклондар ғана орналаса алады. Қабықшалары толық толтырылған ядролар аса орнықты болады. Сонымен қатар, осы модель ядролардың спиндерінің және магниттік моменттерінің бар болатынын, ядролардың қасиеттері периодты түрде өзгеретінін түсіндірді.

• 
  Тақырып: Нейтрондар көздері. Нейтрондардың радиоактивті көздері.Ядролық реакциялардың әртүрлі жүру механизмдері.
  

X+ a→ Y+b немесе X(a,b)Y,

Х және Y – бастапқы және соңғы ядролар, a және b – соғысқан және шығарылған бөлшектер.

Бөлініп шыққан энергияны реакция энергиясы деп атайды:

мұндағы 1-ші массалардың қосындысы бастапқы ядро мен бөлшек үшін, ал 2-шісі – реакция нәтижесінде пайда болған ядро мен бөлшек кейінгі үшін. Егер (m1+m2)>(m3+m4) болса, энергия бөлініп шығады, бұл-экзотермиялық реакция, қарсы жағдайда – энергия жұтылады да, ол эндотермиялық реакция деп аталады.

мұндағы N – бір өлшем көлемде n ядролары бар заттың көлденең қимасының бір өлшем ауданына 1 с ішінде түскен бөлшектер саны, dN –қалыңдығы dx қабаттағы реакцияға қатысқан сондай бөлшектердің саны. σ - қимасы бөлшектердің затқа түскенде реакция болу ықтималдығын сыйпаттайды және барн өлшем бірлігімен өлшенеді, 1барн=10^-28м².

1936 ж. Н. Бор шапшаң емес бөлшектердің қатысуымен болатын реакциялардың екі этап бойынша өтетінін айтты. Х-ядроның а- бөлшегін қармаған кезде, құрама (немесе компаунд-) ядро пайда болады, ол екінші этапта:

.

Кейбір реакциялар аралық ядросыз өтуі мүмкін, оларды тура ядролық әрекеттесу деп атайды.

Нейтрондар арқылы жүретін ядролық реакциялар. Радиациялық қармау. Серпімді шашырау, серпімсіз шашырау реакциялары.

Ядролық реакцияларда нейтронның әсерімен болатын ауыр ядролардың бөліну реакциялары ерекше орын алады, бөліну кезінде екі-үш екінші ретті нейтрондар және массалары жақындау жарықшақтар пайда болады. Нейтрондардың көпшілігі шамамен айтқанда лезде шығарылады (t < 10^-14 c, оларды лездік нейтрондар дейді), ал шамалы бөлігі (жуықпен алғанда 0,7%), 0,05 с- тан 60 с –қа дейінгі уақыт ішінде шығарылады, олар кешігуші нейтрондар деп аталады. Бұл реакцияларда 1,1 МэВ/нуклон энергия шығады. Бөліну кезіндегі екінші ретті нейтрондар жаңа бөлінулердің себебі болып, тізбекті бөліну реакциясының іске асуына мүмкіндік туады. Соңғы реакция нейтрондардың көбею коэффициентімен k сыйпатталады, тізбекті реакция дамуы үшін ол бірден көп болуы керек.

Тізбекті реакциялар басқарылатын және басқарылмайтын реакциялар болып бөлінеді. Олардың біріншісі атомдық реакторларда, екіншісі- сындық масаға жеткенде-жарылыстарда қолданылады.

Атомдық ядролардың синтез реакциясына тән нәрсе, мұнда бір нуклон үшін шығарылатын энергия, ауыр ядролар бөлінетін реакцияларда шығатын энергиядан әлдеқайда көп. Мысалы, ₉₂U²³⁸ ядросы бөлінгенде, шамамен 200 МэВ, немесе 0,84 МэВ/нуклон энергия шығарылады, ал, дейтерий мен тритий синтезінде, ол шама жуықтап алғанда - 3,5 МэВ/нуклон.

Жеңіл ядролардың ауыр ядроларға айналғанда өте жоғары температурада (Т > 10⁷ К) өтетін синтез реакциясын термоядролық реакциялар деп аталады. Басқарылатын термоядролық синтез адамзатқа іс жүзінде таусылмайтын энергия көзіне жетуге мүмкіндік ашады.
Ядроның бөліну реакциясында ауыр ядро нейтрондардың және басқа бөлшектердің әсерінен бірнеше жеңілірек ядроларға (жарықшақтарға), көбінесе массалары шамалас екі ядроға бөлінеді. Сонда бөліну нейтрондары деп аталатын екі-үш нейтрон ұшып шығады:

немесе

Тізбекті реакция жүзеге аса алатын белсенді зонаның (кеңістіктің) ең аз өлшемі сындық өлшемдер деп аталады. Сындық өлшемді жүйедегі бөлінетін заттың ең аз массасы сындық масса деп аталады.

Басқарылатын тізбекті реакция жүзеге асатын және сүйемелденетін құрылғы ядролық реактор деп аталады.

Жылулық нейтрондармен жұмыс істейтін ядролық реактордың белсенді зонасында жылу бөлетін элемент, баяулатқыш болады. Баяулатқыш нейтрондар жылдамдығын жылулық жылдамдыққы дейін кемітеді. Жылу бөлетін элементтер бөлінетін материалдан жасалынған блок болып табылады. Олар герметикалық қабықшаға салынады, нейтрондарды әлсіз жұтады. Жылу бөлгіш элементтер ядролар бөлінген кезде бөлініп шығатын энергия есебінен қызады. Сондықтан оларды салқындату үшін жылу тасығыш ағысына орналастырады. Белсенді зона шағылдырғышпен қоршалады. Ол нейтрондардың жоғалып кетуін азайтады. Тізбекті реакция нейтрондарды күшті жұтатын материалдардан (B, Cd) жасалған стерженьдермен басқарылады.

Атом ядроларының синтез реакциясында бір нуклонға келетін бөлінген энергия ауыр ядроларды бөлу реакциясындағыдан едәуір үлкен (3,5 МэВ/нуклон/ 0,84 МэВ/нуклон). Синтез реакция температурада өтеді. Сондықтан атом ядроларының синтез реакциясын термоядролық реакция деп те атайды.

П. Дирак релятивистік толқындық теңдеу негізінде позитронның болатындығын болжады. К. Андерсон оны ғарыштық сәуледен байқады. Электрон мен позитрон бөлшек пен антибөлшектің жалғыз жұбы емес. Релятивистік кванттық теория бойынша әрбір элементар бөлшектің антибөлшегі болады (зарядтық түйіндестік принципі). Тәжірибе фотон мен - мезоннан басқа әрбір бөлшекке антибөлшек сәйкес келетіндігін көрсетеді.

Дирак теориясы бойынша бөлшек пен антибөлшек соқтығысқанда олар өзара аннигиляцияланады. Нәтижесінде басқа элементар бөлшектер немесе фотон пайда болады. Мысалы:


Тақырып: Нейтрондар арқылы жүретін ядролық реакциялар. Радиациялық қармау. Серпімді шашырау, серпімсіз шашырау реакциялары.
Ядролық реакцияларда нейтронның әсерімен болатын ауыр ядролардың бөліну реакциялары ерекше орын алады, бөліну кезінде екі-үш екінші ретті нейтрондар және массалары жақындау жарықшақтар пайда болады. Нейтрондардың көпшілігі шамамен айтқанда лезде шығарылады (t < 10^-14 c, оларды лездік нейтрондар дейді), ал шамалы бөлігі (жуықпен алғанда 0,7%), 0,05 с- тан 60 с –қа дейінгі уақыт ішінде шығарылады, олар кешігуші нейтрондар деп аталады. Бұл реакцияларда 1,1 МэВ/нуклон энергия шығады. Бөліну кезіндегі екінші ретті нейтрондар жаңа бөлінулердің себебі болып, тізбекті бөліну реакциясының іске асуына мүмкіндік туады. Соңғы реакция нейтрондардың көбею коэффициентімен k сыйпатталады, тізбекті реакция дамуы үшін ол бірден көп болуы керек.

Тізбекті реакциялар басқарылатын және басқарылмайтын реакциялар болып бөлінеді. Олардың біріншісі атомдық реакторларда, екіншісі- сындық масаға жеткенде-жарылыстарда қолданылады.

Атомдық ядролардың синтез реакциясына тән нәрсе, мұнда бір нуклон үшін шығарылатын энергия, ауыр ядролар бөлінетін реакцияларда шығатын энергиядан әлдеқайда көп. Мысалы, ₉₂U²³⁸ ядросы бөлінгенде, шамамен 200 МэВ, немесе 0,84 МэВ/нуклон энергия шығарылады, ал, дейтерий мен тритий синтезінде, ол шама жуықтап алғанда - 3,5 МэВ/нуклон.

Жеңіл ядролардың ауыр ядроларға айналғанда өте жоғары температурада (Т > 10⁷ К) өтетін синтез реакциясын термоядролық реакциялар деп аталады. Басқарылатын термоядролық синтез адамзатқа іс жүзінде таусылмайтын энергия көзіне жетуге мүмкіндік ашады.

немесе

Тізбекті реакция жүзеге аса алатын белсенді зонаның (кеңістіктің) ең аз өлшемі сындық өлшемдер деп аталады. Сындық өлшемді жүйедегі бөлінетін заттың ең аз массасы сындық масса деп аталады.

Басқарылатын тізбекті реакция жүзеге асатын және сүйемелденетін құрылғы ядролық реактор деп аталады.

Жылулық нейтрондармен жұмыс істейтін ядролық реактордың белсенді зонасында жылу бөлетін элемент, баяулатқыш болады. Баяулатқыш нейтрондар жылдамдығын жылулық жылдамдыққы дейін кемітеді. Жылу бөлетін элементтер бөлінетін материалдан жасалынған блок болып табылады. Олар герметикалық қабықшаға салынады, нейтрондарды әлсіз жұтады. Жылу бөлгіш элементтер ядролар бөлінген кезде бөлініп шығатын энергия есебінен қызады. Сондықтан оларды салқындату үшін жылу тасығыш ағысына орналастырады. Белсенді зона шағылдырғышпен қоршалады. Ол нейтрондардың жоғалып кетуін азайтады. Тізбекті реакция нейтрондарды күшті жұтатын материалдардан (B, Cd) жасалған стерженьдермен басқарылады.

Атом ядроларының синтез реакциясында бір нуклонға келетін бөлінген энергия ауыр ядроларды бөлу реакциясындағыдан едәуір үлкен (3,5 МэВ/нуклон/ 0,84 МэВ/нуклон). Синтез реакция температурада өтеді. Сондықтан атом ядроларының синтез реакциясын термоядролық реакция деп те атайды.

П. Дирак релятивистік толқындық теңдеу негізінде позитронның болатындығын болжады. К. Андерсон оны ғарыштық сәуледен байқады. Электрон мен позитрон бөлшек пен антибөлшектің жалғыз жұбы емес. Релятивистік кванттық теория бойынша әрбір элементар бөлшектің антибөлшегі болады (зарядтық түйіндестік принципі). Тәжірибе фотон мен - мезоннан басқа әрбір бөлшекке антибөлшек сәйкес келетіндігін көрсетеді.

Дирак теориясы бойынша бөлшек пен антибөлшек соқтығысқанда олар өзара аннигиляцияланады. Нәтижесінде басқа элементар бөлшектер немесе фотон пайда болады. Мысалы:


3Тақырып: Нейтрондар арқылы жүретін протондардың пайда болу реакциялары, екі немесе одан да көп нейтрондар пайда болу арқылы жүретін реакциялар және бөліну реакциялары.