51.Састаў ядра. Нуклоны.

Доследы, праведзеныя ў . Э.Рэзерфордам і яго супрацоўнікамі Э.Марсдэнам і Г.Гейгерам, паказалі, што асноўнаіі часткай атама з'яўляецца ядро, памеры якога мізэрна малыя (10 ¹⁵ м) у параўнанні з памерамі атама. Згодна з ядзернай мадэллк» атама увесь дадатны зарад і амаль уся маса атама (-99,94 %) сканцэнтраваны ў атамным ядры.

Атамнае ядро з'яўляецца складаным утварэннем. Згодна з гіпотэзай рускага фізіка-тэарэтыка Д.Д.Іваненкі і нямецкапі фізіка В.Гейзенберга (усе ядры складаюцца з пратонаў і нейтронаў. У ядзернай фізіцы гэтыя часціцы называюцца нуклонамі. Найпрасцэйшае ядро — ядро атама вадароду — складаецца толькі з аднаго пратона.

Квантавая сістэма, якую ўяўляе сабой атамнае ядро, не мае дакладных межаў. Аднак доследы па рассеянні элементарных часціц на ядрах атамаў паказалі, што ў кожным ядры можна выдзеліць унутраную вобласць з пастаяннай шчыльнасцю ядзернага рэчыва і паверхневы слой, у якім гэтая шчыльнасць падае да нуля.

Ядро, як квантавая сістэма, можа знаходзіцца ў розных дыскрэтных узбуджаных станах. У асноўным стане ядры могуць быць стабільнымі і нестабільнымі. Стабільныя ядры валодаюць найменшай магчымай для дадзенага ядра энергіяй, а ўсякі ўзбуджаны стан ядра з'яўляецца нестабільным. У сувязі з гэтым атамныя ядры валодаюць статычнымі і дынамічнымі ўласцівасцямі. Да статычных адносяцца ўласцівасці стабільных ядзер, да дынамічных — уласцівасці ядзер пры іх ператварэннях.

. Зарад і маса ядра. Ізатопы і ізабары Адной з асноўных характарыстык атамнага ядра з'яўляецца яго зарад, які па абсалютнай велічыні роўны сумарнаму зараду электроннай абалонкі атама. Зарад вызначаецца парадкавым нумарам хімічнага элемента ў Перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева Z У ядзернай фізіцы 2 называецца зарадавым лікам, які раскрывае індывідуальнасць атама і паказвае колькі пратонаў змяшчаецца ў гэтым ядры.

Масавы лік ядра роўны агульнай колькасці пратонаў і нейтронаў у ім: А = Z+N, дзе N лік нейтронаў.

У сувязі з тым, што амаль уся маса атама сканцэнтравана ў яго ядры, а масы пратона і нейтрона прыблізна роўныя масы атамаў выражаюцца лікамі, блізкімі да цэлых. Цэлы лік, бліжэйшы да значэння масы атама, называецца масавым лікам ядра.

У ядзернай фізіцы замест тэрміна "ядро атама" часта выкарыстоўваюць тэрмін "нуклід".

Нукліды з аднолькавымі зарадавымі лікамі Z , але рознымі маcсавымі лікамі А называюцца ізатопамі дадзенага хімічнага элемента. Большасць хімічных элементаў маюць па некалькі ізатопаў.—

Нукліды з аднолькавымі масавымі лікамі, але з рознымі зарадавымі лікамі называюцца ізабарамі. Ізабары адносяцца да розных хімічных элементаў і ўтрымліваюць аднолькавы лік нуклонаў.

Энергія сувязі ядра Прычынай узнікнення дэфекту масы ядра з'яўляецца моцнае ўзаемадзеянне нуклонаў у ядры. У выніку гэтага ўзаемадзеяння на поўнае разбурэнне ядра з вызваленнем з яго ўсіх нуклонаў неабходна затраціць энергію, якая называецца энергіяй сувязі ядра {Е_су). Пры стварэнні ядра са свабодных пратонаў і нейтронаў гэта энергія выпраменьваецца. Згодна з тэорыяй рэлятыўнасці вьшраменьванне энергіі павінна суправаджацца памяншэннем масы сістэмы нуклонаў

В елічыня, роўная стасунку энергіі сувязі ядра і ліку нуклонаў А у .ядры, называецца ўдзельнай энергіяп сувязі ядра:

Удзельная энергія сувязі характарызуе ўстойлівасць (трываласць) атамных ядзер:

Ядзерныя сілы. Існаванне кампактных і ўстойлівых ядзер можна растлумачыць, калі дапусціць, што, акрамя электрычных сіл адштурхвання, паміж ядзернымі часціцамі дзейнічаюць спецыфічныя сілы прыцяжэння. Гэта не могуць быць гравітацыйныя сілы, якія дзейнічаюць у адпаведнасці з законам сусветнага прыцяжэння, таму што іх патэнцыяльная энергія мізэрна. Узнікае новы тып узаемадзеяння, якому адпавядаюць пэўныя сілы. Гэта ўзаемадзеянне называецца моцным, а сілы, якія яму адпавядаюць, — ядзернымі. Моцнае ўзаемадзеянне забяшечвае стабільнасць атамных ядзер і валодае вельмі вялікай інтэнсіўнасцю, якая перавышае амаль на парадак інтэнсіўнасць электрамагнітнага ўзаемадзеяння. Ядзерныя сілы, як сілы асобага роду, валодаюць шэрагам спецыфічных уласцівасцей.

1. Ддзерныя сілы абумоўлены існаваннем матэрыяльнага ядзернага поля, падобна таму як электрычныя сілы абумоўлены існаваннем электрамагнітнага поля.

2. Неэлектрычная прырода ядзерных сіл паказвае, штоўзаемадзеянне паміж нуклонамі не залежыць ад таго, валодаюць ці не ядзерныя часціцы электрычным зарадам.

Ядзернае ўзаемадзеянне самае моцнае ў прыродзе.

4.У адрозненне ад гравітацыйных і электрычных сіл, якія памяншаюцца адваротна прапарцыйна квадрату адлегласці паміж нунктавымі крыніцамі (масамі, зарадамі), ядзерныя сілы з'яўляюцца кароткадзейньті.

5. Ядзерныя сілы валодаюць уласцівасцю насычэння, якая праяўляецца ў прыбліжанай незалежнасці ўдзельнай энергіі сувязі ядзер ад іх масавага ліку.

6. Ддзерныя сілы залежаць ад арыентацыі спінаў нуклонаў.

7. У адрозненне ад электрычных і гравітацыйных сіл ядзерныя сілы накіраваны не ўздоўж прамой, якая злучае цэнтры нуклонаў, таму яны не з'яўляюцца цэнтральнымі.

8. Ядзерныя сілы залежаць ад хуткасці адноснага руху нуклонаў.

Ядзерныя сілы носяць абменны характар. Нуклоны ў ядрыабменьваюцца віртуальнымі часціцамі, выпраменьванне і паглынанне якіх адбываецца як бы з парушэннем закону захавання энергіі.

Мадэлі атамнага ядра

Кропельная мадэль была прапанавана і распрацавана Н.Борам і Я.І.Фрэнкелем (1936), якія атаяснілі атамнае ядро з зараджанай кропляй вадкасці вялікай шчыльнасці.

Абалоякавая мадэль з'яўляецца больш рэалістьгчнай.. Адпаведна гэтай мадэлі нуклоны ствараюць у ядры шэраг абалонак накшталт электронных у атаме. Але электроны ў атаме рухаюцца ў вядомым і простым кулонаўскім полі ядра. Нуклоны такога агульнага цэнтра сіл не маюць. Ядзернае поле не з'яўляецца цэнтральна-сіметрычным.

На падставе кропельнай і абалонкавай мадэлей была распрацавана абагульненая мадэль, якая дапускае існаванне ў ядры устойлівага цэнтра, што ствараецца поўнасцю запоўненымі абалонкамі. Рух такога цэнтра апісваецца палажэннямі кропельнай мадэлі. Вонкавыя нуклоны незапоўненых абалонак рухаюцца ў полі цэнтра і могуць выклікаць яго дэфармацыю. Абагульненая мадэлі. тлумачыць форму несферычных ядзер, апісвае вярчальныя і вагальныя ўзроўні.

Для апісання станаў і ўласцівасцей моцна ўзбуджаных ядзср існуе статычная мадэль. Адпаведші гэтай тэорыі ўзбуджанае атамнае ядро ўяўляе сабой квантавую сістэму, якая складаецца з фермі-газу нуклонаў, што падвяргаюцціі награванню.

52. Радыёактыўнасць. Працэс самаадвольнага распаду атамных ядзер з вылучэннем часціц рэчыва і высокачастотнага электрамагнітнага выпраменьвання называецца радыеактыўнасцю. У выніку гэтага працэсу няўстойлівыя ядры вызваляюцца ад лішку энергіі і ператвараюцца ва ўстойлівыя. Радыеактыўны распад прыводзіць да ўзнікнення новых атамаў, таму што зыходнае (матчына) ядро ператвараецца ў ядро (даччынае) другога хімічнага элемента. Радыеактыўнасць ядзер, якія існуюць у прыродных умовах, называецца натуральнай. Радыеактыўнасць ядзер, якія атрыманы пры дапамозе эксперыментальных ядзерных рэакцый, з'яўляецца штучнай. Паміж гэтымі відамі радыеактыўнасці не існуе асаблівага адрознення, таму што ўласцівасці радыеактыўнага ізатопу не залежаць ад спосабу яго ўтварэння і закон распаду ў гэтых двух выпадках адзін і той жа. Закон радыеактыўнага распаду. Як і любы квантавы працэс, радыеактыўнасць - з'ява статыстычная. У сувязі з тым, што асобныя радыеактыўныя ядры распадаюцца незалежна адно ад другога, можна лічыць, што лік ядзер dN, якія распадаюцца за час dt, прапарцыйны часу і агульнаму ліку N ядзер радыеактыўнага элемента: dN = -λNdt, дзе λ – пастаянная распаду дадзенага нукліду. λ=-dN/(Ndt) (1). Пастаянная распаду λ вызначае імавернасць распаду ядра dN/N за адзінку часу. Знак "мінус" указвае на памяншэнне ліку радыеактыўных ядзер N, што не распаліся з часам. Асноўны закон радыёактыўнага распаду мае выгляд: (2), дзе N₀ – лік ядзер дадзенага элемента ў пачатковы момант часу t = 0; N – лік ядзер гэтага ж элемента, што не распаліся на працягу часу t. Згодна з законам, лік ядзер, што не распаліся з часам, памяншаецца паводле экспаненты. Характарыстыкай хуткасці радыеактыўнага распаду з'яўляецца перыяд паўраспаду Т. Перыядам паўраспаду называецца час, на працягу якога лік радыенуклідаў зыходнага элемента памяншаецда ўдвая (N=N₀/2). 3 формулы (2) вынікае, што пры t=Т: , адкуль (3). Акрамя перыяду паўраспаду, хуткасць распаду характарызуецца сярэднім часам жыцця радыенукліда τ. τ=1/λ. З раўнання (3) T=τ ln2. Характарыстыкай інтэнсіўнасці выпраменьвання радыеактыўнага прэпарата з'яўляецца яго актыўнасць, якая вызначае лік распадаў, што адбываюцца ў ім за адзінку часу: . 3 улікам (2) атрымаем залежнасць актыўнасці ад часу: . Як і лік радыенуклідаў, актыўнасць прэпарата памяншаецца паводле экспаненцыйнага закону і залежыць не толькі ад роду ядзер λ, але і ад іх ліку N. За адзінку актыўнасці прыняты бекерэль (Бк), роўны аднаму распаду ў секунду (1Бк=1распад/с). Часта выкарыстоўваецца і пазасістэмная адзінка кюры. 1Кы=3,7 10¹⁰Бк, што прыкладна адпавядае актыўнасці 1 г чыстага радыю . Альфа-распад, як ператварэнне атамных ядзер, праяўляецца ў самаадвольным выпусканні цяжкім ядром α-часціцы. Альфа-часціцы ўяўляюць сабой ядры He. Схема α-распаду мае выгляд: X→ Y+ He, дзе X і Y – хімічныя сімвалы матчынага і даччынага ядзер. Пры распадзе зарадавы лік даччынага ядра памяншаецца на дзве адзінкі, a масавы лік – на чатыры адзінкі.

Бэта-распад уяўляе працэс самаадвольнага ператварэння радыенуклідаў, пры якім агульны лік нуклонаў у ядрах застаецца пастаянным. Пры гэтым зарадавы лік даччынага ядра, ўтворанага ў выніку β-распаду, адрозніваецца ад зарадавага ліку матчынага ядра на ± 1. Бэта-распад нельга растлумачыць вылетам электронаў з ядра, таму што яны ў атамным ядры адсутнічаюць. У фарміраванні ўяўленняў аб β-распадзе галоўную ролю адыграла энергія, якая выпускаецца β-радыеактыўнымі крыніцамі. Доследы паказалі, што ў адрозненне ад α-часціц, якія валодаюць у межах кожнай групы строга вызначанай энергіяй, β-электроны маюць розныя значэнні энергіі: ад Е_min да Е_mах. У 1931г. В.Паўлі паказаў, што пры кожным β-распадзе разам з электронам з ядра выкідваецца другая часціца з вельмі малой масай і без зараду. Гэтая часціца атрымала назву нейтрына. Упершыню антычасціцу нейтрына ( ) — антынейтрына ( ) назіралі амерыканскія вучоныя Ф.Райнес і К.Коўэн у 1953г. Нейтрьша і антынейтрына вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць з рэчывам, г.зн. валодаюць вялікай пранікальнай здольнасцю, даўжыня свабоднага прабегу іх у шчыльным асяроддзі складае 10¹⁹м. Адметнай рысай β-распаду з'яўляецца яго ўнутрынуклоннае, a не ўнутрыядзернае паходжанне. Пры бэта-распадзе адбываецца ператварэнне нуклонаў у радыеактыўным ядры з адначасовым узнікненнем электрона (пазітрона) і антьшейтрына (нейтрына). Схемы нуклонных ператварэнняў можна запісаць у выглядзе: (4) (5). Гэтыя працэсы адбываюцца толькі пры слабых узаемадзеяннях часціц. Нуклонны працэс (4) вызывае электронны β^--распад, у выніку якога адбываецца ператварэнне нейтрона ў пратон і выпускаюцца электрон і антынейтрына: X→ Y+ (5) Працэс, што працякае па схеме (5), выклікае пазітронны β⁺-распад, пры якім адбываецца ператварэнне пратона ў нейтрон і выпускаюцца пазітрон і нейтрына: X→ Y+ (6). Да β-распаду адносіцца і электронны захват, пры якім ядро захоплівае адзін з электронаў сваёй абалонкі і выпускае нейтрына. Адзін з пратонаў ядра ператвараецца ў нейтрон: . Працэс электроннага захвату працякае па схеме: X+ → Y+ (7). Бэта-распад, як і альфа-распад, можа суправаджацца гама-выпраменьваннем, калі даччынае ядро аказваецца ва ўзбуджаным стане, пры пераходзе з якога ў больш нізкі энергетычны стан яго і выпускае γ-кванты. Гама-выпраменьванне не з'яўляецца самастойным тыпам радыеактыўнасці. Гама-прамяні выпускаюцца даччыным ядром, якое ўзнікае ў працэсе α- або β-распаду і, як правіла, знаходзіцца ва ўзбуджаным стане: X^*→ X+γ. Як відаць з схемы распаду, гама-выпраменьванне не звязана са змяненнем унутранай структуры ядра і не суправаджаецца змяненнем зарадавага і масавага лікаў. Узбуджанае ядро X* пераходзіць у асноўны стан і пры гэтым выпускае γ-квант, які ўяўляе сабой кароткахвалевае электрамагнітнае выпраменьванне. Ядры могуць выпускаць не адзін, а некалькі γ-квантаў з рознымі частотамі, падобна таму як атам пры пераходзе з узбуджанага стану ў нармальны выпускае фатоны. Правілы зрушэння. Законы захавання зарадавых і масавых лікаў дазваляюць ўстанавіць правілы зрушэння, з дапамогай якіх можна вызначыць, які новы элемент узнікае ў выніку α- або β- распаду. 3 улікам схем распадаў (5)-(7) правілы зрушэння могуць быць сфармуляваны наступным чынам: 1) у выніку α-распаду ўзнікае новы элемент, які ў Перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева знаходзіцца на два месцы бліжэй да пачатку табліцы, чым зыходны элемент; 2) у выніку электроннага β^--распаду ўзнікае новы элемент, які ў Перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева знаходзіцца на адно месца далей ад пачатку табліцы, чым зыходны элемент; 3) у выніку пазітроннага β⁺-распаду або электроннага захвату ўзнікае новы элемент, які ў Перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева размешчаны на адно месца бліжэй да пачатку табліцы, чым зыходны элемент.

53. Ядзерныя рэакцыі. У працэсе вывучэння натуральнай радыеактыўнасці высветлілася, што ператварэнне аднаго хімічнага элемента ў другі абумоўлена ўнутрыядзернымі змяненнямі. Узніклі ідэі аб штучным ператварэнні атамных ядзер шляхам вонкавага ўздзеяння на іх. Эфектыўным сродкам такога уздзеяння аказалася бамбардзіроўка ядзер хуткімі часціцамі, як зараджанымі так і нейтральнымі. Працэс штучнага ператварэння атамных ядзер, абумоўлены іх узаемадзеяннем з рознымі часціцамі або ядра з ядром, называецца ядзернай рэакцыяй. Ядзерная рэакцыя ўзнікае ў тым выпадку, калі ядро і часціца, якія ўзаемадзейнічаюць, збліжаюцца да адлегласці ~10^-15м, на якой праяўляецца дзеянне ядзерных сіл. А для гэтага часціца павінна валодаць адпаведнай кінетычнай энергіяй. Схема ядзернай рэакцыі мае выгляд: Х+а→ Y+b або Х(а,b)Y. Пры бамбардзіроўцы часціцай а ядра X узнікае ядро Y і ўтвараецца часціца b. Часціцамі а і b могуць быць α-часціцы ( He), дэйтон (d), γ-фатон(γ), нейтрон (n), пратон (р). Ядзерныя рэакцыі могуць працякаць з выпусканнем або паглынаннем энергіі Е. Пры Е>0 рэакцыя ідзе з выпусканнем энергіі і называецца экзатэрмічнай; пры Е<0 рэакцыя ідзе з паглынаннем энергіі і называецца эндатэрмічнай. Энергетычны выхад ядзернай рэакцыі вызначаецца рознасцю мас ядзер і часціц, якія ўступаюць у рэакцыю і ўтвараюцца ў выніку яе ажыццяўлення: , дзе сума мас зыходнага ядра і часціцы, якая яго бамбардзіруе; сума мас ядра і часціцы – прадуктаў рэакцыі. Практычна большасць ядзерных рэакцый адбываецца пры сутыкненнях пучкоў часціц з мішэнямі. Гэтыя працэсы характарызуюцца эфектыўным сячэннем σ, якое вызначае імавернасць узаемадзеяння часціцы з ядрамі мішэні, Няхай паралельны паток часціц N падае перпедыкулярна на вельмі тонкую мішень, ядры якой не перакрываюцца. Імавернасць таго, што адна часціца з патоку зачэпіць ядро мішэні папярочным сячэннем σ, будзе роўная W= σnd, дзе n – канцэнтрацыя ядзер мішэні; d - таўшчыня мішэні. Такім чынам, лік часціц, якія ўзаемадзейнічаюць з ядрамі мішэні за адзінку часу, . У выніку эфектыўнае сячэнне σ=ΔN/(Nnd). Наглядна σ уяўляецца як сячэнне мішэні, у якую трапляе часціца і выклікае ядзерную рэакцыю. Адзінкай σ з'яўляецца квадратны метр (м²), выкарыстоўваецца таксама пазасістэмная адзінка 1барн=10^-28м². Ядзерныя рэакцыі могуць адбывацца ў адзін або ў два этапы. У 1936 г. Н.Бор устанавіў, што рэакцыя, якая выклікаецца часціцамі з невялікай энергіяй і працякае за час, значна большы, чым час ядзернага пралёту τ_я≈5 10^-22с, праходзіць у два этапы з утварэннем складанага ядра П: Х+а→П→Y+b. На першым этапе адбываецца захват ядром X часціцы а, энергія якой з-за моцнай сувязі нуклонаў у ядры за кароткі час пераразмяркоўваецца паміж імі. У выніку ўтвараецца складанае ядро П, якое знаходзіцца ва ўзбуджаным стане. Паколькі гэта ядро жыве вельмі доўга (па ядзерным маштабе часу), то за час жыцця "забываецца" гісторыя яго ўтварэння. Таму распад складанага ядра (другі этап рэакцыі) працякае незалежна ад першага этапа. Ланцуговая ядзерная рэакцыя. Ядзернымі рэакцыямі з'яўляюцца таксама працэсы дзялення цяжкіх ядзер. Мінімальная энергія, неабходная для дзялення ядра, называецца энергіяй актывацыі. У сувязі з тым, што лік другасных нейтронаў, якія выпраменьваюцца ў кожным акце дзялення, большы, чым лік нейтронаў, што паглынаюцца пры гэтым, у радыеактыўным асяроддзі можа ўзнікнуць самападтрымная ланцуговая рэакцыя дзялення. У гэтым працэсе колькасць ядзер, якія зведваюць дзяленне, не змяншаецца, а ўзрастае нават пры адсутнасці вонкавай крыніцы нейтронаў. Зразумела, што калі пры дзяленні аднаго ядра ўтвараецца N другасных нейтронаў, то яны ў ідэальным выпадку могуць выклікаць дзяленне N іншых ядзер. Пры гэтым узнікае N² новых нейтронаў, якія прывядуць да дзялення N² ядзер, і г.д. Такім чынам, колькасць другасных нейтронаў і ядзер, якія могуць дзяліцца, на кожным этапе ланцуговай ядзернай рэакцыі, павялічваецца ў геаметрычнай прагрэсіі. Але ў сапраўднасці не ўсе другасныя нейтроны выклікаюць дзяленне ядзер. 3-за вялікіх хуткасцей нейтронаў (~10⁷м/с), якія надаюць ім вялікую пранікальную здольнасць, і абмежаваных аб'ёмаў ядзернага рэчыва частка нейтронаў можа вылецець з зоны рэакцыі і не сутыкнуцца пры гэтым з ядрамі. Другая частка нейтронаў паглынаецда ядрамі атамаў прымесей, якія не дзеляцца, але прысутнічаюць у ядзерным рэчыве Таму гэтыя нейтроны не прывядуць да дзялення ядзер і стварэння новых нейтронаў. Развіццё ланцуговай рэакцыі дзялення характарызуецца каэфіцыептам размнажэння нейтронаў К, які вызначаецца формулай , дзе - лік нейтронаў, якія выклікаюць дзяленне ядзер на адным з этапаў рэакцыі; - лік нейтронаў, што выклікаюць дзяленне на папярэднім этапе гэтай рэакцыі. Каэфіцыент размнажэння нейтронаў залежыць ад прыроды і масы ядзернага рэчыва, а таксама ад формы занятага ім аб'ёму. Маса ядзернага рэчыва, пры якой ланцуговая рэакцыя дзялення працякае з каэфіцыентам К=1, называецца крытычнай масай дадзенага рэчыва (m_кр). Памеры актыўнай зоны (вобласці прасторы, дзе адбываецца ланцуговая рэакцыя), якія адпавядаюць крытычнай масе, называюцца крытычнымі памерамі. Ядзерныя рэактары. Практычнае ажыццяўленне ланцуговай рэакцыі дзялення абмяжоўваецца дзвюма прычынамі: 1. Прыродны уран уяўляе сабой сумесь ізатопаў (99,27%), (0,72%) і (0,01%). На кожнае ядро урану , якое дзеліцца пад уздзеяннем павольных нейтронаў, прыходзіцца каля 140 ядзер урану , што паглынаюць нейтроны без дзялення. Таму ў прыродным уране ланцуговая рэакцыя дзялення не ўзнікае. 2. Дзяленне ядзер урану адбываецца пераважна за кошт павольных, менавіта цеплавых нейтронаў. У той жа час у актыўнай зоне ўзнікаюць хуткія нейтроны, якія могуць вылецець з актыўнай зоны ці паглынуцца уранам . Значыць, для падтрымання ланцуговай рэакцыі неабходна або ўзбагаціць прыродны уран ізатопам , або ажыццявіць штучнае запавольванне нейтронаў. Устаноўкі, дзе ажаццяўляецца ланцуговая рэакцыя дзялення, называюцца ядзернымі рэактарамі. У ядзерных рэактарах каэфіцыент размнажэння нейтронаў аўтаматычна падтрымліваецца роўным адзінцы. Рэактар на цеплавых нейтронах. Асноўнымі яго элементамі з'яўляюцца: ядзернае паліва, запавольнік, кіроўныя стрыжні, цепланосьбіт, адбівальнік нейтронаў, ахоўная абалонка.У якасці ядзернага паліва выкарыстоўваюцца: прыродны уран; узбагачаны уран, які утрымлівае да 5 % ізатопаў , плутоній ; торый . Паміж блокамі ядзернага паліва знаходзіцца запавольнік, у якім энергія нейтронаў памяншаецца да цеплавых значэнняў (~0,025 эВ). Пры ўзаемадзеянні хуткіх нейтронаў з ядрамі рэчыва запавольніка адбываецца іх пругкае рассейванне, у выніку чаго частка энергіі пераходзіць у энергію цеплавога руху атамаў і нейтроны становяцца цеплавымі. Запавольнікам можа быць графіт, цяжкая вада, берылій. Кіроўныя стрыжні служаць для падтрымання стацыянарнага рэжыму работы рэактара (К=1). Яны вырабляюцца з матэрыялаў, якія моцна паглынаюць цепліавыя нейтроны, такіх, як бор і кадмій. Спачатку стрыжні высоўваюцца з актыўнай зоны і ланцуговая рэакцыя ідзе з К>1. Пры дастатковым памнажэнні нейтронаў стрыжні апускаюцца ў зону, частка нейтронаў паглынаецца і ланцуговая рэакцыя запавольваецца. Аўтаматычная рэгуліроўка глыбыні апускання стрыжняў дазваляе стабілізаваць рэакцьпо. Пры гэтым лік нейтронаў, якія ўтвараюцца ў 1-ку часу, застаецца пастаянным. Для памяншэння ўцечкі нейтронаў актыўную зону рэактара акружаюць адбівальнікам нейтронаў, які вырабляецца з матэрыялу запавольніка ці металу вялікай шчыльнасці. Актыўная зона ядзернага рэактара мае вонкавую ахоўную абалонку, якая затрымлівае нейтронныя патокі і γ-выпраменьванне, што ўзнікаюць у працэсе работы рэактара. Гэтую абалонку вырабляюць з бетону з вадзяным ці жалезным напаўняльнікам. За кошт кінетычнай энергіі асколкаў дзялення ядзер тэмпература ў актыўнай зоне рэактара павышаецца да 800-900К. 3 дапамогай цепланосьбіта, які выконвае замкнуты цыкл, цеплыня адводзіцца з актыўнай зоны рэактара і ператвараецца ў механічную энергію, a затым у электрычную. У якасці цепланосьбіта могуць выкарыстоўвацца газы і вадкасці, якія не паглынаюць нейтронаў, напрыклад звычайная вада, вадкі металічны натрый або яго сумесь з каліем, гелій і вуглякіслы газ. Асобую цікавасць выклікаюць рэактары на хуткіх нейтронах. Яны працуюць без запавольніка, на ўзбагачаным ізатопамі або ядзерным паліве. Разам з выпраменьваннем энергіі ў гэтым рэактары адбываецца ўтварэнне і назапашванне новага ядзернага паліва за кошт ператварэння у або у . Прымяненне радыеактыўных ізатопаў і ядзернай энергіі. Асновай практычнага прымянення радыеактыўных ізатопаў з'яўляюцца наступныя іх уласцівасці: 1) пастаянства хімічных уласцівасцей, як радыеактыўнага, так і стабільнага ізатопу дадзенага элемента; 2) наяўнасць спадарожнага выпраменьвання, якое не залежыць ад вонкавых умоў; 3) неаднолькавая пранікальная здольнасць розных відаў радыеактыўнага выпраменьвання; 4) магчымасць фіксацыі вельмі малых колькасцей радыенуклідаў, дзякуючы вялікай энергіі іх выпраменьвання.

Тэрмаядзерныя рэакцыі. Кіруемы тэрмаядзерны сінтэз. Выпраменьваюць энергію пры расшчапленні не толькі цяжкія ядры, але і лёгкія пры іх зліцці ў адно ядро. Рэакцыі ядзернага сінтэзу працякаюць з выпраменьваннем яшчэ большай колькасці энергіі, чым пры дзяленні цяжкіх ядзер. Для ўзнікнення рэакцыі сінтэзу двух лёгкіх ядзер трэба, каб яны пераадолелі патэнцыяльны бар'ер кулонаўскіх сіл адштурхвання і

зблізіліся да адлегласці ~10^-15м. Далейшае іх збліжэнне і аб'яднанне ўжо выканаюць ядзерныя сілы. Таму наяўнасць у ядзер, якія зліваюцца, дастаткова вялікай кінетычнай энергіі, неабходнай для выканання работы супраць кулонаўскіх сіл адштурхвання, з'яўляецца неабходнай умовай ажыццяўлення рэакцыі сінтэзу. Вышыня патэнцыяльнага бар'ера, абумоўленага электрычным узаемадзеяннем, для ядзер, якія могуць сінтэзавацца, вызначаецца роўнасцю , дзе R – радыус дзеяння ядзерных сіл. Эканамічна выгадным з'яўляецца шлях награвання сумесі лёгкіх ядзер да такой тэмпературы, пры якой сярэдняя кінетычная энергія цеплавога руху кожнага ядра сумесі будзе прыблізна роўная 0,35МэВ, г.зн. 3/2kТ≈0,35МэВ. А гэтаму адпавядае тэмпература Т≈2 10⁹К. Такім чынам, рэакцыі ядзернага сінтэзу становяцца магчымымі пры вельмі высокіх тэмпературах, таму іх называюць тэрмаядзернымі. Ажыццяўленне кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу (КТС) у зямных умовах суправаджаецца вялікімі цяжкасцямі Адной з іх з'яўляецца неабходнасць стварэння і падтрымання ў некаторым аб'ёме тэмпературы ~10⁸К, пры якой рэчыва ператвараецда ў цалкам іанізаваную плазму.

54. Элементарныя часціцы. Паводле аднаго з асноўных палажэнняў квантавай фізікі аб дыскрэтнасці матэрыі рэчыва на мікраскапічным узроўні, матэрьпо нельга драбніць бясконца. Таму павінны існаваць нейкія мікраскапічныя порцыі рэчыва, якія не маюць унутранай структуры, але ў розных камбінацыях забяспечваюць разнастайнасць матэрыяльнага свету. Гэтыя малыя порцыі матэрыі могуць насіць назву элементарных часціц. Існаванне такіх абмежаваных порцый матэрыі эксперыментальна не даказана і пакуль застаецца гіпотэзай. Адной з уласцівасцей элементарных часціц з'яўляецца іх шматлікасць. Усе элементарныя часціцы маюць малыя масы і памеры. Фундаментальнай уласцівасцю элементарных часціц з'яўляецца іх здольнасць да ўзаемных ператварэнняў, г.зн. здольнасць нараджацца і распадацца. Працэсы нараджэння і распаду суправаджаюцца строгім выкананнем законаў захавання, лік якіх у мікрасвеце значна большы, чым у макрасвеце. Усе законы захавання, якія праяўляюцца ў мікраскапічных з'явах, раздзяляюцца на дакладныя і прыблізныя. Дакладныя законы захавання выконваюцца ва ўсіх фундаментальных узаемадзеяннях, а прыблізныя - толькі ў некаторых. Большасць элементарных часціц існуе ў дзвюх разнавіднасцях. Адну з іх, якая часцей усяго сустракаецца ў навакольным свеце, называюць часціцай, другую – антычасціцай. Існаванне антычасціцы з'яўляецца ўніверсальнай уласцівасцю элементарных часціц. Антычасціца адрозніваецца ад часціцы толькі знакамі ўсіх велічынь, якія характарызуюць узаемадзеянне.

Класіфікацыя элементарпых часціц. Працэсы, звязаныя з узаемадзеяннем элементарных часціц, характарызуюцца інтэнсіўнасцю іх працякання, якая вызначаецца канстантай узаемадзеяння. Яна залежыць ад характару ўзаемадзеяння і вызначае імавернасць яго ажыццяўлення ў залежнасці ад ступені падабенства і адрознення мікрачасціц. У сувязі з гэтым узаемадзеянні паміж матэрыяльнымі ўтварэннямі фенаменалагічна падзяляюцца на чатыры віды фундаментальных узаемадзеянняў: моцнае, электрамагнітнае, слабае і гравітацыйнае. Усе віды ўзаемадзеянняў характарызуюцца канстантай ўзаемадзеяння α, радыусам дзеяння сіл r і характэрным часам τ (час, які неабходны для працякання працэсу пры дадзеным відзе ўзаемадзеяння). У залежнасці ад здольнасці да ўзаемадзеяння і прыналежнасці да групы ферміонаў або базонаў усе элементарныя часціцы падраздзяляюцца на тры класы. Да першага класа належыць толькі адна часціца - фатон, які з'яўляецца базонам са спінам, роўным ħ. Ён удзельнічае ў электрамагнітных узаемадзеяннях, але не удзельнічае ў слабых і моцных. Другі клас ствараюць лептоны. Гэтыя часціцы ўдзельнічаюць у электрамагнітных і слабых узаемадзеяннях і не ўдзельнічаюць у моцных. Усе яны маюць спін, роўны (1/2) ħ і з'яўляюцца ферміонамі. У гэты клас уваходзяць тры сям'і - электронная, мюонная і таонная, кожная з якіх мае адну зараджаную часціцу (е^-,μ^-,τ^-) і адпаведнае нейтрына (ν_е, ν_μ, ν_τ). Трэці клас аб'ядноўвае часціцы, якія ўдзельнічаюць ва ўсіх відах узаемадзеянняў. Гэта клас адронаў, які ў сваю чаргу дзеліцца на дзве сям'і: мезонаў і барыонаў. Сям'я мезонаў складаецца з часціц, спін якіх роўны нулю, таму яны з'яўляюцца базонамі. Сям'я барыонаў аб'ядноўвае нуклоны (р, n) і нестабільныя цяжкія часціцы - гіпероны. Барыоны з'яўляюцца ферміонамі, таму маюць спін, роўны (1/2 ħ).

Лічыльнікі часціц. Прыборы, якія выкарыстоўваюцца для рэгістрацыі элементарных часціц, падзяляюцца на дзве групы. Да першай групы належаць прыборы, што рэгіструюць факт пралёту часціцы і ў асобных выпадках дазваляюць ацаніць яе энергію. Другую групу складаюць трэкавыя прыборы, з дапамогай якіх можна назіраць сляды (трэкі) часціц у рэчыве. Лічыльнікі часціц - гэта іанізацыйныя камеры, газаразрадныя, чаранкоўскія, сцынтыляцыйныя і паўправадніковыя лічыльнікі. Іанізацыйная камера ўяўляе сабой плоскі кандэнсатар, які знаходзіцца ў камеры, запоўненай газам. Часціцы вялікай энергіі А, што пранікаюць праз сценкі камеры, выклікаюць іанізацыю газа. Пры гэтым у камеры ўзнікае несамастойны разрад, ток якога прапарцыйны інтэнсіўнасці іанізацыі, г.зн. ліку хуткіх часціц, што трапляюць у камеру ў адзінку часу, і іх энергіі. Імпульс току рэгіструецца лічыльнікам імпульсаў ЛІ. Газаразрадны лічыльнік канструкцыйна звычайна з'яўляецца двухэлектроднай лямпай, вырабленай у выглядзе металічнай тонкасценнай трубкі, уздоўж восі якой працягнута тонкая металічная нітка, якая іграе ролю анода. Лічыльнік напаўняецца газам пры паніжаным ціску (100-200мм.рт.сл.). Паміж ніткай і сценкамі трубкі ствараецца рознасць патэнцыялаў. Пры пападанні ў лічыльнік хуткая часціца A іанізуе газ. Электроны і іоны, якія ўзнікаюць пры гэтым, паскараюцца электрычнам полем. Іоны рухаюцца да сценак лічыльніка (катод), a электроны - да ніткі (анод), паблізу якой моцнае электрычнае поле настолькі іх паскарае, што яны выклікаюць другасную іанізацыю, У выніку ўзнікае лавінападобнае размнажэнне носьбітаў току. Пры гэтым на выхадзе лічыльніна ствараецца імпульс напружання, па якім мяркуюць аб наяўнасці часціцы, што прайшла праз лічыльнік.

Трэкавыя прыборы дазваляюць не толькі рэгістраваць часціцы і назіраць іх сляды. 3 іх дапамогай можна даследаваць працэсы сутыкнення, нараджэння і распаду часціц. Найбольшае прымяненне ў ядзерных даследаваннях атрымалі наступныя трэкавыя прыборы: камера Вільсана, дыфузная камера, пузырковая камера Глезера, іскравая, эмульсійная і прапарцыйная камеры. Камера Вільсана была сканструявана ў 1912г. англійскім фізікам Ч.Вільсанам. Яна ўяўляе сабой цыліндрычную пасудзіну, герметычна закрытую зверху шкляной накрыўкай. Дно камеры пакрыта чорным вільготным аксамітам або сукном. У камеры ствараецца перанасычаная пара Пры рэзкім апусканні поршня адбываецца адыябатнае пашырэнне пары, што выклікае яе рэзкае ахаладжэнне (перанасычэнне). Зараджаная часціца А пралятае праз такое асяроддзе і стварае на сваім шляху ланцужкі іонаў, якія становяцца цэнтрамі кандэнсацыі. Увесь шлях часціцы аказваецца ўсеяным кропелькамі. Бачны след (трэк) часціцы можна сфатаграфаваць. Па характары трэка можна меркаваць аб прыродзе элементарнай часціцы. Так, цяжкая α-часціца пакідае суцэльны тлусты след, хуткая β-часціца - тонкі, а павольная - звілісты след. У пузырковай камеры Глезера рабочым рэчывам з'яўляецца празрыстая перагрэтая вадкасць. У зыходным стане рэчыва камеры (вадарод, прапан, ксенон і інш.) знаходзіцца пад ціскам р, які перавышае ціск перанасычанай пары р_пер пры дадзенай тэмпературы Т. Рэзкае паніжэнне ціску (падняцце поршня) да р< р_пер выклікае перагрэў вадкасці. Часціца А, што пралятае ў гэты момант праз вадкасць, стварае ў ёй іоны, якія становяцца цэнтрамі выпарэння. Пры гэтым узнікаюць бурбалкі пары, яны ўтвараюць трэк часціцы, які можна сфатаграфаваць. Пузырковыя камеры маюць вельмі складанае ўстройства, вялікі рабочы аб'ём і адпаведную шчыльнасць вадкасці, таму яны выкарыстоўваюцца ў асноўным для рэгістрацыі часціц вялікіх энергій.

Мас-спектрометры. Прыбор, у якім пучок часціц раздзяляецца па масах і атрыманы спектр часціц даследуецца, называецца мас-спектрометрам. Асноўнымі элементамі прыбора з'яўляюцца плоскі кандэнсатар, у якім існуе электрычнае поле, і магніты, якія ствараюць магнітнае поле індукцыяй В у камеры кандэнсатара і магнітнае поле індукныяй В' у камеры. Вектары індукцый В і В' накіраваны перпендыкулярна плоскасці рысунка да нас. Паток іонаў праходзіць праз верхнія дыафрагмы і ў выглядзе вузкага пучка пападае ў камеру кандэнсатара, дзе дадатныя іоны пад уздзеяннем электрычнага поля адхіляюцца ўправа, а пад уздзеяннем магнітнага поля В - улева. Пры такім уздзеянні палёў ляцяць прамалінейна толькі тыя іоны, якія маюць строга вызначаную хуткасць, усе астатнія адхіляюцца ўправа або ўлева. Праз даяфрагму праходзяць іоны, якія валодаюць аднолькавымі хуткасцямі. У камеры гэтыя іоны пад уздзеяннем магнітнага поля В' апісваюць паўакружнасці і трапляюць на фотапласцінку. Ведаючы значэнні велічынь В', q, υ і радыус акружнасці R, можна вызначыць масу іона: . У залежнасці ад масы іоны ізатопаў рухаюцца па розных акружнасцях і трапляюць у розныя месцы пласцінкі. Відарысы шчыліны на пласцінцы ў выглядзе ліній, якія адпавядаюць ліку ізатопаў, утвараюць спектраграму. Такім чынам, мас-спектрометр раскладае іонны пучок па масах іонаў падобна да таго, як аптычны спектрограф раскладае светлавы пучок па даўжынях светлавых хваль. 3 дапамогай мас-спектрометра можна не толькі вымяраць масы іонаў, але па шчыльнасці ліній спектраграмы вызначыць працэнтны састаў асобных ізатопаў у дадзеным элеменце.

Паскаральнікі зараджаных часціц. Паскаральмкам называецца ўстройства, якое прызначана для атрьмання зараджаных часціц з вельмі вялікай кінетычнай энергіяй (да 10ГэВ). У залежнасці ад формы траекторый руху часціц паскаральнікі бываюць лінейныя і цыклічныя. У лінейных паскаральніках траекторыя блізкая да прамой лініі, у цыклічных - уяўляе сабой акружнасць або спіраль. Па метаду паскарэння паскаральнікі падзяляюцца на лінейныя, індукцыйныя і рэзанансныя. Да лінейных паскаральнікаў належаць электрастатычны генератар Ван-дэ-Граафа і лінейны каскадны паскаральнік, у якіх часціца паскараецца моцным электрычным полем і набывае пры гэтым вялікую кінетычную энергію. Першы цыклічны паскаральнік - цыклатрон, які з'яўляецца прасцейшым рэзанансным паскаральнікам. У аснове работы цыклатрона ляжыць ідэя абарачэння з дапамогай магнітнага поля траекторыі паскараемай часціцы ў спіраль. Паскаральнік, у якім у працэсе паскарэння часціц адпаведным чынам павялічваецца перыяд электрычнага поля, называецца фазатронам. Да індукцыйных паскаральнікаў адносяцца бэтатроны, якія выкарыстоўваюцца для паскарэння электронаў, таму што з-за малой масы яны не могуць быць паскораны да значных энергій у цыклатроне. У аснове яго работы ляжыць з'ява ўзнікнення ў прасторы віхравога электрьгчнага поля пад уздзеяннем пераменнага магнітнага поля. Найбольш магутным паскаральнікам зараджаных часціц з'яўляецца сінхрафазатрон. У ім часціцы разганяюцца па акружнасці пастаяннага радыуса. Магніт мае кольцападобную форму. Паскарэнне адбываецца ў шэрагу прамежкаў на траекторыі з дапамогай электрычнага поля, перыяд якога змяняецца ў працэсе паскарэння. Пры гэтым, каб утрымаць часціцы на пастаяннай арбіце, сінхронна змяняецца і магнітнае поле.

129