2. ядролық физика негіздері
жүктеу/скачать 1,3 Mb.
|
ядерка часть2новый2018
- Бұл бет үшін навигация:
- 2.2.4. «Радиоактивті ыдырау заңы. Активтік. Меншікті активтік. α – ыдырау. β – ыдырау. γ – сәуле шығару» тақырыптары бойынша бақылау жұмыстары үшін есептер
- 2.3. ЯДРОЛЫҚ РЕАКЦИЯЛАР
| α – ыдырау
Радиоактивті ыдырау кезінде радий атомынан ұшып шығатын α – бөлшектің кинетикалық энергиясы 4,78 МэВ. α –бөлшектің жылдамдығын табыңыз. Активтігі А=1 кюри радон бір сағатта қанша жылу бөліп шығарады? Радоннан ұшып шығатын α – бөлшектің кинетикалық энергиясы 5,5 МэВ. изотопын протондармен атқылаған кезде екі α – бөлшек пайда болады. Әр α–бөлшектің түзілу мезетіндегі энергиясы Тα = =9,15 МэВ. Атқылаушы бөлшектің энергиясы қандай? Ядросы 5,46 МэВ энергияға тең α – бөлшек шығарып, полоний изотопы ядросына айналатын атомның массасын анықтау керек. Егер шығарылатын α–бөлшектердің кинетикалық энергиясы 5,3 МэВ және барлық туынды ядролар негізгі күйде түзілетін болса, 1 мградий препараты, орташа өмір сүру уақытына тең уақытта қанша жылу бөледі. β – ыдырау Үш табиғи радиоактивті топтан басқа жасанды радиоактивті топ бар, ол трансуранды элемент нептунийден басталып, висмутпен аяқталады. Осы радиоактивті топтағы α– және β– ыдырау санын табу керек. ядросы атомның К – қабықшасынан электронды қармайды. К – қармау нәтижесінде қандай ядро түзіледі? көміртегі изотопының ядросында β-– ыдырау нәтижесінде бір нейтрон протонға айналады. Осындай айналу кезінде қандай ядро пайда болды? кремний изотопының ядросында β+ – ыдырау нәтижесінде бір протон нейтронға айналады. Қандай ядро пайда болды? Массалық саны 226 радий изотопы массалық саны 206 қорғасын изотопына айналды? Осы жағдайда қанша α –, β – ыдырау болды? көміртегі ядросының β – ыдырауының энергиясын анықтау керек. Төрт радиоактивті үйірдің бастапқы және аяққы элементтері берілген: 1. ; 2.; 3.; 4. әрбір үйірде қанша α- және β – түрлену болғанын анықтаңыз. Төрт α– және β-ыдырау нәтижесінде радиоактивті торийдан қандай изотоп пайда болады? γ – сәуле шығару γ –фотонды (λ =0,47 пм) жұтқан атомдық ядро қозған күйге өтіп, бөлек-бөлек нуклондарға бөлініп, жан-жаққа ұшып кетеді. Нуклондардың қорытқы кинетикалық энергиясы 0,4 МэВ-қа тең. Ядроның байланыс энергиясын анықтаңыз. Радиоактивті изотопы энергиясы Е=1,28 МэВ γ –квантын шығарады. Массасы m=5 г болатын натрий изотопының t=5 мин уақыт аралығында шығаратын γ–квантының Р қуатын және W энергиясын анықтаңыз. Нүктелік изотропты радиоактивті сәуле көзі r=1 м арақашықтықта интенсивтілігі I = 1,6 мВт/м2 болатын γ – сәуле шығарады. Ядроның әр ыдырауында энергиясы Е=1,33 МэВ γ – квант шығарылады деп есептеп, сәуле көзінің А активтігін анықтаңыз. Активтігі А = 148 ГБк нүктелік изотропты радиоактивті сәуле көзінен r=5 см қашықтық γ – сәуле I интенсивтігі қандай? Әр ыдырауда әрқайсысының энергиясы E =0,51 МэВ n=1,8 фотон шығарылады. Егер адам үшін рұқсат етілген ұшақтарда ұшу дозасы бір жылда 0,5 бэр, ал ғарыштық сәулелену нәтижесінде болатын эквиваленттік дозаның қуаты 0,7мбэр/сағ (10–12км биіктікке сәйкес) болса, ұшақтарда ұшудың апталық шегі қандай? Адам рентгенгенге түскенде 25 мбэр доза алады. Егер массасы 80 кг адамның денесінің жартысы сәулеленген болса, онда адам денесі сәулеленудің қанша энергиясын жұтады. Сәулеленудің сапалық коэффициентін 0,85 деп аламыз. Адам 300 рад қауіпті дозаны қабылдады. Егер адамның массасы 80 кг болса және сәулелену адам денесінің барлық жеріне әсер етсе, онда дененің жұтқан энергиясы қандай? Нүктелік сәуле көзінен r1=40 см қашықтықта γ – сәуленің Х экспозициялық доза қуаты Р=4,3 мкА/кг. Егер рұқсат етілген экспозициялық доза Xmax= 5,16 мкКл/кг болса, онда r2 = 6 м арақашықтықта қанша уақыт тұруға болады? 2.2.4. «Радиоактивті ыдырау заңы. Активтік. Меншікті активтік. α – ыдырау. β – ыдырау. γ – сәуле шығару» тақырыптары бойынша бақылау жұмыстары үшін есептер I стронций изотопының активтігі 1) k1= 10 есе; 2) k2 = 100 есе азайғандағы уақыт аралығын анықтаңыз. Тыныштықта тұрған ядросы кинетикалық энергиясы Кα = 5,77 МэВ α-бөлшек шығарады. Туынды ядроның серпім жылдамдығын табыңыз. Осы процесте бөлінетін толық энергияның қандай бөлігін туынды ядроның серпім энергия құрайды? Жартылай ыдырау периоды 5,2 жыл болатын кобальттің активтігі 2 жыл ішінде қалай өзгереді? II Массасы m = 1 мгфосфордың А активтігін анықтаңыз. ядроларының негізгі күйден α-ыдырауында кинетикалық энергиялары 5,30 және 4,50 МэВ α-бөлшектердің екі тобы шығарылады. Осының нәтижесінде туынды ядролар сәйкесінше негізгі және қозған күйлерде болады. Қозған ядролардың шығаратын γ-кванттар энергиясын табыңыз. Радийдің жартылай ыдырау периоды 1620 жыл, ал массасы 1 г радийдің 1 с уақытта ыдыраған санын табу керек. III Массалық саны 238 уранның активтігі 2,5·104 ыдырау/с, массасы 2,0 г. Жартылай ыдырау периодын анықтаңыз. 1 мкг полонийдің активтігін анықтаңыз. ядроларының негізгі күйден ыдырайды және α-бөлшектердің екі тобы: кинетикалық энергиясы 5,30 МэВ негізгі және кинетикалық энергиясы 4,50 МэВ әлсіз (интенсивтігі бойынша) екі тобының шығарылуы қабаттасады. Осы ядролардың α-ыдырау энергиясын және туынды ядролардың шығаратын γ-кванттар энергиясын табыңыз. IV Радиоактивті торий изотопының жартылай ыдырау периоды 24,1 күн болса, 1 тәулікте қандай мөлшері ыдырайды. нуклиді β—ыдырауға ұшырайды, ыдырау энергиясы Q = 3,50 МэВ. Туынды нуклид массасы белгілі деп, нуклид массасын табыңыз. Туынды нуклид массасын және β-ыдыраудың Q энергиясын біліп, β+- ыдырауға ұшырайтын ыдырау энергиясы Q=1,82 МэВ нуклиді массасын табыңыз. V Жасанды түрде алынған радиоактивті стронций изотопының меншікті активтігін анықтау керек. нуклидінің ядролары негізгі күйден ыдырайды және кинетикалық энергиялары 6,33; 6,23; 6,10 ж»не 6,03 МэВ α-бөлшектерді шығарады. Туынды ядроның деңгейлер схемасын есептеп және схемасын салыңыз Құрамында 42% таза уран бар руданың қандай ең аз мөлшерінен 1 г радий алуға болатынын анықтаңыз? 2.3. ЯДРОЛЫҚ РЕАКЦИЯЛАР ЖӘНЕБҰЛАРДЫҢ НЕГІЗГІ ТҮРЛЕРІ. 2.3.1. Қысқаша теориялық кіріспе. Ядролық реакциялар. Ядролардың бөлінуі. Атомдық ядролардың синтезі Ядролық реакция – бұл атомдық ядроның элементар бөлшекпен немесе басқа ядромен күшті өзара әсерлесу үдеріс – ядролардың түрленуі қабаттаса өтетін үдеріс. Осы өзара әсерлесу бөлшектердің реттік шамасы 10-15 м болатын қашықтыққа дейін жақындағандағы ядролық күштердің әрекеті арқасында пайда болады. Ядролық реакцияның ең көп тараған түрі α бөлшек Х ядромен әсерлеседі, осының нәтижесінде b бөлшек және Y ядро пайда болады. Бұл символдық түрде 
немесе қысқартылған түрде (2.3.1) болып жазылады. a және b бөлшектер рөлін көбінесе, n нейтрон, p протон, d дейтрон, α – бөлшек және γ – квант атқарады. Мысалы, немесе. (2.3.2) Реакцияны қысқартылған түрде жазғанда жақша ішіндегі бірінші орынға атқылаушы бөлшектің белгісі, екінші орынға – ұшып шығатын бөлшектің белгісі, ал жақша сыртына аяққы ядро белгісі жазылады. Тікелей ядролық әсерлесулер, олар мына сызба бойынша жүреді: X+a→Y+b (2.3.3) мұндағы, Х және Y – бастапқы және аяққы ядролар, а және b – атқылаушы және ядролық реакцияда шығарылатын бөлшектер; Құрамды ядро түзілуімен екі кезеңнен өтетін реакциялар: X+a→C→Y+b. (2.3.4) Бірінші кезең – бұл ядролық күштер әрекет ететін (~2·10-15м) қашықтыққа жақындаған а бөлшекті Х ядроның қармап алуы және С құрамды ядроның түзілуі. Бөлшек энергиясы қандай да бір нуклонға емес, құрамды ядроның нуклондарына үлестіріледі, ал ядро қозған күйде болып шығады. Құрамды ядроның өмір сүру уақыты 10-16 – 10-12 с, яғни (106 – 1010)τ болады, мұндағы τ-ядролық ерекше уақыт (~10-22с). Бұл құрамды ядроның өмір сүру уақыты ішінде нуклондар көп қайтара өзара соқтығысады, нуклондар арасында энергия қайта үлестірілуі болады да нуклондардың біреуі (немесе бұлардың комбинациясы) ядродан ұшып шығуына жеткілікті энергия қабылдай алады. Осының нәтижесінде екінші кезең мүмкін болады – құрамды ядроның Y ядроға және b бөлшекке ыдырауы іске асады. Ядролық реакциялар экзотермалық (энергияның бөлінуімен өтеді) және эндотермалық (энергияның жұтылуымен өтеді) болады. Ядролық реакцияларға X≠Y және a≠b болатын жалпы түрдегі үдерістер жатқызылады; егер шығарылған бөлшек қармалған бөлшекпен теңбе-тең болса, онда бөлшектің шашырауы Eb = Ea болғанда серпімді,Eb ≠ Ea болғанда серпімсіз шашырауы орын алады. Бөлшектер шоғы затқа түскенде ядролық реакция болуының ықтималдығы ядролық реакцияның эффектив тиімді қимасымен анықталады: σ=dN/(nNdx). (2.3.5) мұндағы, N – бірлік көлемінде n ядро бар заттың көлденең қимасының бірлік ауданына бірлік уақыт ішінде түсетін бөлшектер саны, dN – қалыңдығы dx қабаттағы ядролық реакцияға түсетін бөлшектер саны. Эффектив қиманың өлшемділігі аудан; σ бірлігі – барн (1 барн = 10-28м2). Кез келгенядролық реакцияда электр зарядтарының және массалық сандарының сақталу заңдары орындалады; энергияның, импульстің және импульс моментінің сақталу заңдары да орындалады. Ядролық реакциялар әртүрлі белгілер бойынша жіктеледі: Реакцияларға қатысатын бөлшектердің түрі бойынша: а) нейтрондардың әрекет етуімен өтетін реакциялар. Нейтрондар, электрлік бейтарап бөлшектер болғандықтан, кулондық тебіліске ұшырамайды, сондықтан да ядроға оңай еніп, ядролық түрлену туғызады; ә) зарядталған бөлшектердің әрекетінен болатын реакциялар (мысалы, протондар, α – бөлшектер). Мысалдар: бірінші ядролық реакция (Э.Резерфорд, 1919): ; (2.3.6) н нейтрондар алынған ядролық реакция: ; (2.3.7) б) γ-кванттар әрекетінен болатын реакциялар. γ-кванттардың энергиялары кіші болатын жағдайда бұлардың тек серпімді шашырауы байқалады; Ядродан нуклондардың бөлініп шығу энергиясынан үлкен энергиялар жағдайында фотоядролық реакциялар бақыланады – γ-кванттармен атомдық ядролардың жіктелуі байқалады. Әдеттегі реакциялар: (γ, n), (γ, p), (γ, 2n), (γ, np). Реакцияларды туғызатын бөлшектердің энергиясы бойынша – кіші энергиялар (бірнеше эВ) жағдайында реакциялар негізінен нейтрондардың әрекет етуімен өтеді; орташа энергиялар жағдайында (бірнеше МэВ-ке дейін) – γ–кванттардың және зарядталған бөлшектердің (протондар, α–бөлшектер) қатысуымен жоғарғы энергиялар жағдайында (мың МэВ-ке дейін) еркін күйде болмайтын элементар бөлшектің пайда болуына алып келеді. Ядролық реакциялардың ерекшелігі әсіресе, нейтрондардың энергиясына (жылдамдығына) тәуелді болады. Нейтрондарды энергиясына байланысты баяу және жылдам екі топқа бөледі. Баяу нейтрондардың энергиялары ультрасуық (энергиясы 10-7 эВ-қа дейінгі), өте суық (10-7 – 10-4 эВ), суық (10-4 – 10-3 эВ), жылулық (10-3 – 0,5 эВ) және резонанстық (0,5 – 104 эВ) нейтрондар аймақтарын қамтиды. Екінші топқа жылдам (104 – 108 эВ), жоғарғы энергиялы (108 – 1010 эВ) және релятивті (≥1010 эВ) нейтрондар жатқызылады. Баяу нейтрондар ядролық реакцияларды қоздыруға тиімді келеді, өйткені олар атомдық ядроға жақын маңайда салыстырмалы түрде ұзақ болады, сондықтан да нейтронды ядроның қармап алу ықтималдығы жеткілікті үлкен болады. Баяу нейтрондар үшін ядролардан серпімді шашырау [(n,n) түрдегі реакция] және радиациялық қармау [(n, γ) түрдегі реакция] тән, бір ерекшелігі (n, γ) реакциясы бастапқы заттың жаңа изотопының құрылуына алып келеді: (2.3.8) жылдам нейтрондар үшін бұлардың серпімсіз шашырауы байқалады. Ол: (2.3.9) сызба бойынша өтеді. Ядродан ұшып шығатын нейтрон ядроға енген бастапқы нейтрон емес. энергиясы энергиясынан кіші, ал нейтрон ұшып шыққаннан қалған ядро қозған күйде болады (жұлдызшамен белгіленген), сондықтан оның қалыпты күйге ауысуы γ – квант шығарылуымен қайталанады. Нейтрондардың энергиясы 10 МэВ мәндеріне жеткенде (n, 2n) түріндегі реакция мүмкін болады. Мысалы, 2.3.10) реакциясы нәтижесінде жасанды β- – активті изотоп құралады, ол: . (2.3.11) сызба бойынша ыдырайды. Реакцияға қатысатын ядролардың түріне қарай – жеңіл (А<50), орташа (50 Мысалы, жеңіл ядроларда жылулық нейтрондардың әрекетінен, нейтрондарды қармау реакциялары іске асады, сонда зарядталған бөлшектер – протондар және α – бөлшектер шығарылады: (2.3.12) . (2.3.13) Өтетін ядролық түрленулердің ерекшелігі бойынша – нейтрондардың шығарылуымен, зарядталған бөлшектердің шығарылуымен және т.б. өтетін реакциялар. Ядроның бөліну реакциясы – ауыр ядро нейтрондардың әрекетінен (және де басқа бөлшектердің әрекетінен) бірнеше (көбінесе, екі) жеңіл ядроға (бөліну жарықшақтарына) бөлінеді. Бөліну жарықшақтары өзінің пайда болу мезетінде нейтрондары протондарынан артық болады. Сондықтан ауыр ядролардың бөліну реакциясы артық нейтрондардың – бөліну нейтрондарының шығарылуымен қабаттасады. Бірақ та осы процесс жарықшақ – ядролардың нейтрондармен асқын болуын толық жоймайды, сондықтан да жарықшақтар радиоактивті бола тұрып, бірқатар β- – ыдырау жасай алады, осының нәтижесінде жарықшақтағы нейтрондар мен протондардың қатынасы орнықты изотопқа сай шамаға жетеді. Мысалы, уран ядросы бөлінген кезде (2.3.14) бөліну жарықшағы β- – ыдыраудың үш актісі нәтижесінде орнықты изотопқа айналады: . (2.3.15) (2.3.14) реакция уранның бөлінуіне әкелетін бірден-бір реакция емес, өйткені жарықшақтар арқылы да болады. Ядроның бөлінуі кезінде нейтрондардың көпшілігі іс жүзінде лезде(t ≤ 10-14c)шығарылады – лездік нейтрондар, өте аз бөлігі (≤ 1%) – бөліну кейін біраз уақыт өткенде – кешігуші нейтрондар шығарылады. Ауыр ядроның екі жарықшаққа бөлінуі орасан көп энергияның бөлінуімен ~1,1МэВ/нуклон (ядролардағы – бөліну өнімдері және бастапқы ядроның меншікті байланыс энергияларының айырымына тең, яғни (8,7 – 7,6) МэВ/нуклон) қабаттасады. Әрбір бөліну актісіне шынында да орасан энергия (200 МэВ) бөлінеді ол негізінде жарықшақтарға және бөліну жарықшақтарының кейінгі ыдырау өнімдеріне үлестірілетіндігін эксперимент растайды. Бөліну нейтрондарының әрекетінен өзін-өзі қолдаушы процестер тізбегі пайда болады, бұл тізбекті бөліну реакциясының, реакцияны тудыратын бөлшектер осы реакцияның өнімдері ретінде пайда болатын реакцияны, іске асырылуын мүмкін етеді. Тізбекті бөліну реакциясы нейтрондардың көбею коэффициентімен сипатталады, ол берілген ұрпақтағы нейтрондар санының мұның алдындағы ұрпақтағы санына қатынасына тең. Тізбекті бөліну реакциясының дамуы үшін қажетті шартK≥1 болу талап етіледі. Бастапқы қос ядро – бөлшектің өзара әрекеттесуі: Серпімді шашырау болуы мүмкін, сонда соқтығысатын бөлшектердің тек кинетикалық энергиялары қайта үлестіріледі; Серпімсіз шашырау болуы мүмкін, сонда ядродан нысанағы соғылған бөлшекпен теңбе-тең, бірақ энергиясы одан кіші, бөлшек шығады; Ядролық реакция болуы мүмкін, осының нәтижесінде жаңа ядро мен жаңа бөлшек пайда болады. Ядролық реакцияларда орындалатын сақталу заңдары: а) нуклондар санының сақталу заңы: A1+A2=A3+A4. ә) зарядтардың сақталу заңы: Z1+Z2=Z3+Z4. б) релятивтік толық энергияның сақталу заңы: E1+E2=E3+E4. в) импульстің сақталу заңы: p1+p2=p3+p4. г) импульс моментінің сақталу заңы: L1+L2=L3+L4 . Ядролық реакция энергиясы: , (2.3.16) мұндағы, m1 және m2 – нысана ядро мен атқылаушы бөлшектің тыныштық массалары; m3+m4 – реакция өнімдері – аяққы ядро мен бөлшектің тыныштық массаларының қосындысы. Егер m1 + m2 >m3 + m4 болса, онда энергия бөлінеді, реакция экзотермалық. Егер m1 + m2 <m3 + m4болса, онда энергия жұтылады, реакция эндотермалық. Ядролық реакцияның энергиясын (2.3.17) түрінде де жазуға болады. Мұндағы К1 және К2 – нысана – ядро мен атқылаушы бөлшектің кинетикалық энергиялары, К3 және К4 – ұшып шығатын бөлшектің және реакция өнімі – ядроның кинетикалық энергиялары. Экзотермалық реакция жағдайындаK3+K4 > K1+K2 . Эндотермалық реакция жағдайындаK3+K4 < K1+K2 . жүктеу/скачать 1,3 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|