5.10 Космічне випромінювання

Раніше єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів та гіперонів, було космічне випромінювання. Це випромінювання пов’язане з потоком атомних ядер (в основному протонів), попадає на землю з світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявляється багато елементарних частинок.

Енергія космічних випромінювань становить в середньому ~10 ГеВ, а окремих частинок - 10¹⁰ ГеВ (гігаелектрон-вольт).

Первинні космічні промені – це на 90% протони, 9% - ядра гелію, 1% - інші ядра аж до ніобію. На висотах 50-60 км вони зазнають непружних зіткнень з ядрами атомів у верхніх шарах атмосфери, втрачаючи при цьому енергію. Внаслідок цього виникають вторинні космічні промені, в яких зустрічаються всі відомі в наш час елементарні частинки.

За проникною здатністю розрізняють м’яку (сильно поглинається) і жорстку (має сильну проникну здатність) компоненти. Внаслідок гальмування заряджених частинок поблизу атомних ядер виникають -фотони.

М’яка компонента – це електрони, позитрони і фотони. Оскільки енергія початкового фотона дуже велика, то встигає виникнути багато поколінь вторинних частинок до того часу, поки енергія буде достатньою для утворення пар.

Жорстке випромінювання складається з мюонів, його утворення відбувається в верхніх і середніх шарах атмосфери.

Спостерігається так званий широтний ефект: заряджені частинки, попадаючи в магнітне поле Землі відхиляються, а отже на різних широтах інтенсивності випромінювання є різними.

5.11 Ядерна енергетика

5.11.1 Поділ ядра урана. Сповільнення нейтронів. Захоплення нейтронів. Коефіцієнт розмноження. Ланцюгова реакція

Відомо, що для потоку електромагнітного випромінювання (в тому числі і -частинок) інтенсивність випромінювання

,

- закон Бугера

(див. “Конспект лекцій”, ч.2).

Для потоку частинок N₀, що поглинаються ядрами мішені із концентрацією n

,

 - переріз захоплення ядром елементарної частинки, характеризує ймовірність взаємодії частинки і ядра

,[]=см^-2. Як відмічалось раніше, існує енергія при якій нейтрони захоплюються дуже інтенсивно (резонансне захоплення), хоча, як видно із рис. 5.5, б, із збільшенням енергії , як правило зменшується. Порядок величини ~10^-24 см².

Реакція поділу залежить від ізотопа:

U  ₉₂U²³⁵  може ділитися повільними нейтронами (складає 0,72% уранової руди)

U→ ₉₂U²³⁸  ділитися швидкими нейтронами (E>1 МеВ) (складає 98% природньої уранової руди)

Щоб реакція проходила більш безпечно, треба сповільнювати нейтрони і використовувати ₉₂U²³⁵, тобто працювати із урановою рудою, збагаченою тим ізотопом, якого в природі мало.

В якості сповільнювачів нейтронів служать: ₁Н², Ве, С.

Реакція поділу носить ланцюговий характер (рис. 5.6). К – коефіцієнт розмноження, що характеризує реакцію поділу.

,

де N_n+1 – кількість нейтронів в n+1 акті зіткнення нейтрона з ядром атомів, N_n – кількість нейтронів в n акті.

Якщо K<1 - реакція затухає.

Якщо K>1 - реакція стає ланцюговою.

Якщо K=1 - реакція підтримується на однаковому рівні. Щоб керувати реакцією необхідні захоплювачі нейтронів. Захоплювачами служать такі матеріали, як Cd, B.

Якщо маса куска урану менша певної критичної, то більшість випущених нейтронів вилітає назовні, не викликаючи поділу, і ланцюгова реакція не виникає.