10

Фізпрактикум із загального курсу

“ФІЗИКА ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК”

Лабораторна робота № 13

ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГІЇ УЛАМКІВ ПОДІЛУ ЗА ЇХ ПРОБІГОМ

ПРАВИЛА РОБОТИ З РАДІОАКТИВНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ТА ВИСОКОВОЛЬТНИМ ОБЛАДНАННЯМ:

Радіоактивні джерела для роботи видаються студентам тільки на час проведення дослідів під розписку, про що робиться відмітка у спеціальному журналі. Студенти несуть особисту відповідальність за збереження і правильне використання радіоактивного джерела. У роботі використовується Pu--Be нейтронне джерело у парафіновому сповільнювачі – захисті. Для роботи також видається джерело, що містить ізотоп ²³⁵U покритий тонкою захисною плівкою. Цей ізотоп належить до другої групи Б радіаційно небезпечних ізотопів. На поверхні захисту джерела нейтронів та джерела, що містить ізотоп ²³⁵U контрольний рівень випромінювання не перевищує 3 мкЗв/годину. Нейтронне джерело не можна виймати з захисту. На лічильник Гейгера–Мюллера подається робоча напруга 400-500 В чи 800-1200 В. При порушені герметичності джерела з ураном виникає небезпека радіаційного забруднення лабораторії та можливість попадання ізотопу ²³⁵U у органи дихання і травлення

Можливі аварійні ситуації: несанкціоноване витягнення джерела з захисту приводить до підвищення рівня радіації у лабораторії у 10 – 100 разів вище допустимих норм, розгерметизація джерела, виникнення пожежі, пошкодження заземлення, пошкодження ізоляції проводів.

Категорично заборонено: виймати джерело нейтронів з захисту, від’єднувати кабель живлення детектора від увімкненого високовольтного блоку.

1. Мета і завдання до роботи:

Ознайомитися з найпростішими методами спостереження поділу ядер урану під дією нейтронів..

Пересвідчитись, що уламки поділу ядер зазнають бета-розпаду.

Експериментально оцінити пробіг уламків у повітрі за зменшенням активності колекторів уламків при зростанні віддалі від колектора до тонкого шару урану.

Оцінити кінетичну енергію уламків за відомою залежністю пробігу багатозарядних іонів від енергії.

2. Необхідні прилади та матеріали

Установка для реєстрації бета–частинок, яка включає газорозрядний лічильник Гейгера–Мюллера (СТС-6 або інший), блок високої напруги для живлення газорозрядного лічильника (360-400 В), перерахунковий пристрій (лічильник числа електричних імпульсів, наприклад, ПС02-4), попередній підсилювач (емітерний повторювач) для узгодження високоомного навантаження лічильника Гейгера–Мюллера з відносно низькоомним входом перерахункового пристрою.

Плутоній–альфа–берилієве (Pu––Be)– джерело нейтронів, розміщене у ванні з водою або у блокові іншої речовини-сповільнювача нейтронів (парафіну, пластмаси). Тонкий шар урану (1-2 мг/см²) на металічній підкладці у формі диску діаметром близько 5 см. Набір колекторів уламків, наприклад, паперових листочків розміром 5х5 см². Касета для розміщення уранової пластинки (мішені) та колекторів на різних відстанях (рис.2). Пристрій для кріплення колектора на поверхні лічильника Гейгера– Мюллера.

3. Реакція поділу важких ядер

3.1 Поділ ядер під дією нейтронів

Важкі ядра при певних умовах можуть ділитися на приблизно рівні за масою ядра–уламки. Поділ важких ядер може відбуватися при захоплені ядром нейтрона, при збуджені ядра гамма квантом і зарядженою частинкою. Ядра торію, урану, та важчі за них можуть ділитися спонтанно з дуже малою імовірністю.

Так ²³⁵U. ²³³U, ²³⁹Pu діляться при захопленні теплових нейтронів. Формулу реакції у загальному вигляді можна записати

+   + (1)

де L легше ядро– уламок поділу; Hважке ядро–уламок поділу; ν – число нейтронів, які стають вільними в результаті поділу, ν - ціле число в межах від 1 до 7; =2,43. При цьому виконуються співвідношення:

А_L+А_H +ν =236 (збереження числа нуклонів), (2а)

Z_L+ Z_H =92 (збереження електричного заряду (число протонів), (2.б)

Зберігається також число N=A–Z :

N_L + N_H +ν=236–92=144 (збереження числа нейтронів) (2.в)

Процес ділення ядер ²³⁵U може відбуватися різними способами з утворенням різних ядер уламків, але так щоб задовольнялись закони збереження числа нуклонів та числа протонів. Наприклад:

+   +3 (3а)

+   +2 (3б)

Енергія реакції ділення визначається величинами енергії звя’зку вихідного ядра, легкого і важкого уламків поділу

(3)

Величина Q (~200 MeB) залежить від співвідношення енергії кулонівської взаємодії між протонами у вихідному ядрі і поверхневої енергії Е_пов=а_пов А^2/3, пропорційної площі поверхні ядра. Тому здатність ядра до спонтанного поділу характеризується відношенням цих енергій, яке пропорційне, так званому, параметру ділення:

(4)

Значний час життя природних ізотопів урану пояснюється наявністю потенціального бар’єру, який перешкоджає взаємовіддаленю фрагментів (рис. І). Зростання енергії ядра при малих деформаціях пояснюється більш швидким зростанням поверхневої енергії Е_пов порівняно зі зменшенням кулонівської енергії Е_к.

Висота потенціального бар’єру ΔU_f зменшується з ростом параметра ділення Z²/A. При Z²/A>45 енергія вихідного ядра зрівнюється з висотою потенціального бар’єру і тому ядра діляться практично миттєво. Саме такий процес визначає верхні межі Z i A реально існуючих ядер (обмежує продовження таблиці Менделєєва у бік високих Z i A). Ядра з Z²/A < 45 (але більшим за ~17) можуть спонтанно (самовільно) ділитися завдяки тунельному ефекту. Так ядро ²³⁵U спонтанно ділиться з ймовірністю 0,92.10^-15 1/с.

Збільшити ймовірність поділу можна за рахунок внесення в ядро додаткової енергії (енергії збудження ядра).

Одним iз процесів, який приводить до збудження ядра, є захоплення нейтрона, наприклад, . При цьому енергія збудження Е* ядра визначається кінетичною енергією нейтрона Е_п і його енергією зв’язку _n :

(5)

Збуджене проміжне ядро ²³⁶ з великою ймовірністю ділиться навіть коли воно утворюється при захопленні теплових нейтронів, бо для нього _n = 6,8 MеВ, що більше за висоту бар’єру поділу (6,51 МеВ).

(Теплові нейтрони знаходяться в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем. Середня кінетична енергія теплових нейтронів (при 0°С) E_т = 0,025 еВ, середня швидкість V=2200 м/с.)

При захопленні теплового нейтрона ядром ²³⁸U утворюється непарно–парний, ізотоп ²³⁹U, у якого потенціальний бар’єр поділу дещо вищий (~7 МеВ), ніж в ²³⁶U, а _n 5,1 МеВ, що менше за висоту бар’єру поділу. Збудження ²³⁹U* знімається шляхом гамма-випромінювання.

Рис.1. Залежність потенціальної енергії ядра від віддалі d між центрами мас уламків.