Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ГОС / 63

.doc
Скачиваний:
41
Добавлен:
22.03.2015
Размер:
98.3 Кб
Скачать

63. Ядерные реакции. Реакции деления и синтеза, ядерная энергетика.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

1. Фото эмульсионный метод регистрации ядерных излучений.

Фото эмульсионный метод регистрации ядерных излучений является наглядным. Можно увидеть: 1) ионизационное торможение, 2) рассеяние, 3) ядерные захваты с выделением продуктов деления, 4) спонтанный распад ядер и т.д.

Ядерные фотоэмульсии состоят из желатина и взвешенных частиц бромистого серебра ArBr размером 0,3 мкм. При прохождении частицы в бромистом серебре происходят фотохимические реакции (ионизация атомов под действием Кулоновского поля частицы). После проявления образуются мелкие зерна серебра, которые наблюдаются под микроскопом.

Имеются фотоэмульсии различных типов, позволяющие регистрировать быстрые электроны, создающие минимальную ионизацию, и осколки деления, образующие плотный след ионов.

Преимущества фото эмульсионного метода регистрации частиц перед другими методами регистрации: не надо источников питания, вспомогательной аппаратуры, небольшой вес, малые размеры, механическая прочность, длительность хранения.

Недостатки: трудность обработки материала, малая толщина фотоэмульсий (сейчас десятки метров), с какими ядрами фотоэмульсии произошла реакция налетающей частицы.

В процессе проявления происходит отложение атомов серебра на центрах ионизации. Зерна металлического серебра вырастают до видимых размеров под микроскопом (0,3-0,8 мкм), и скрытое изображение превращается в видимое изображение следа. В процессе фиксации не проявленные зерна (АrBr растворяются и вымываются из желатина.

Для регистрации быстрых (релятивистских) частиц необходимы эмульсии с большой чувствительностью и большим содержанием ArBr Для медленных и сильно ионизирующих частиц необходимы эмульсии с меньшей чувствительностью. Чувствительность ядерных эмульсий определяется плотностью зерен на длине следа в 100мкм. Для релятивистских частиц на 100мкм плотность зерен составляет 30. Применяются пластинки английской фирмы "Ильфор" и Российской "НИКФИ". Толщина чувствительного слоя 100 -200 мкм. Высокочувствительные - 400 - 600 мкм. Концентрация ArBr 83% полной массы. Желатина состоит из легких элементов H,C,N,O, плотность (=3,8 г/см3).

2. Идентификация следов частиц в фотоэмульсии.

Заряженные частицы при прохождении через фотоэмульсии теряют энергию на возбуждение и ионизацию. Средняя энергия, которую теряют частицы на единицу пути на ионизацию определяется из выражения: -,

где E-кинетическая энергия частицы, ze-заряд частицы, v-скорость первичной частицы, Z- атомный номер поглотителя, е- заряд электрона, mo- масса электрона,

- коэффициент торможения, φо-потенциал ионизации.

Ионизационные потери при переходе от воздуха к свинцу изменяются всего в 1,5 – 2 раза.

Связь между числом проявленных зерен на единицу пути и удельными потерями энергии сложная и зависит от типа эмульсии и условий проявления.

Энергии и массу зарегистрированной частицы можно определить по остаточному пробегу, плотности зерен и многократному рассеянию.

В тех случаях, когда заряд частицы известен, для идентификации частицы достаточно двух независимых измерений: пробег- плотность ионизации, пробег- многократное рассеяние. Наибольшее распространение имеет следовой метод.

Определение массы частицы по остаточному пробегу и числу зерен.

Две частицы, имеющие одинаковые начальные скорости с массами m и М будут иметь длины пробегов, что их отношение будет равно отношению их масс .

Пробег частиц определяется из выражения .

Ионизационные потери могут быть представлены в виде функции скорости

-

Пробег частицы может быть выражен следующей зависимостью

(v)- одинаковая для всех частиц.

zm и zM известны.

Часто следы можно различить по плотности ионизации.

Например, альфа- частица с энергией 1 Мэв создает плотность ионизации в 104 раз больше, чем электрон с той же энергией. След альфа- частицы широкий, отдельные зерна сливаются (конгломерат), след электрона – цепочка зерен с плотностью 30-35 зёрен на 100 мкм пути. Различные типы эмульсий обладаю спектральной чувствительностью к определенному сорту (энергии) частиц.

Определение энергии частиц по пробегу

Если масса частицы известна и частица останавливается в эмульсии, то энергию по полному пробегу определяют по калибровочным кривым (рис. 1).

Для протонов при пробеге R>100мкм

E=0,25R0,521; Е- в Мэв, R- в мкм.

Просмотр и измерение следов частиц на микроскопе

Применяются микроскопы: МБИ-1;МБИ-2 с окуляром 15х и объективами 8х и 20х.

Измерение сводится к определению длины пробега R, угла θ между следами, угла рассеяния φ и определение плотности зёрен на 100 мкм пути.

Для наклонного следа , где s-коэффициент усадки эмульсии, равный 2,4-2,5; l- проекция следа частицы в плоскости пластинки;

h- проекция следа, перпендикулярная к плоскости эмульсии (фокусируется на концы следа); h необходимо умножить на показатель преломления эмульсии 1,54.

Углу измеряют с помощью окулярного лимба.

Взаимодействие нейтронов с веществом

Взаимодействие нейтронов с веществом сводится к взаимодействию их с ядрами атомов, обусловленным ядерными силами. В теоретических расчетах пользуются потенциалом Юкава

-30 Мэв.

Нуклоны испытывают ядерные и электромагнитные (а- кулоновские, б- взаимодействия, обусловленные магнитными моментами протонов и нейтронов). Существует взаимодействие и между нейтронами и электронами, поскольку обе частицы обладают магнитными моментами. Но так как эффективное сечение взаимодействия нейтрона и электрона σn,е=10-22 см2, а эффективное сечение заряженных частиц σзар,е=10-16см2, то взаимодействие нейтронов с веществом не приводит к ионизации атомов среды. Взаимодействие нейтрона с веществом сводится, главным образом, к столкновению нейтрона с ядром, в результате чего нейтрон или отклоняется (рассеивается) или поглощается.

При рассеянии из законов сохранения энергии и импульса Е= Е'+ Ем; рм22'2-2рр'cos,

где - угол рассеяния нейтрона, θ -угол отклонения ядра отдачи, Е ,Е, Ем- энергии, р, р, рм- импульсы можно получить

При поглощении нейтрон захватывается ядром. Образуется ядро в возбужденном состоянии за счет энергии связи нейтрона Е и за счет его кинетической энергии Екин.

Энергия возбуждения ядра Е* близка к сумме Екин+ Е.

Е.

Время жизни в возбужденном состоянии τ= 10-12-10-16с. Для сравнения, ядерное время τяд=10-23с. ереход из возбужденного состояния сопровождается испусканием γ,р,n,α).

С точки зрения динамики рассеяние нейтрона ядром можно считать упругим и неупругим, отличающимся сохранением или не сохранением кинетической энергии.

Захват нейтрона с испусканием частиц возможен только в том случае, если Ех- энергия связи испускаемой частицы

или де Q- энергия реакции.

Отсюда видно, что процессы - излучения при упругом и неупругом рассеянии нейтронов всегда возможны.

Энергия связи р и α (Ер и Еα) может быть как больше так и меньше Еn; если Q<0-реакция эндотермическая, если Q> 0 то реакция экзотермическая. Эндотермические реакции могут идти только при энергия нейтрона, превышающих порог

Составное ядро может распадаться по различным каналам. Вероятность распада связана с энергетической шириной G уровня соотношением

G=Gi- сумме парциальных ширин. G- величина постоянная, Gi- конкурируют между собой.

С увеличением энергии нейтрона над порогом, отвечающей испусканию новой частицы, соответствующая величина Gi- возрастает.

Кинематический анализ расщепления

Расщепления ядер С612; О816, входящиш в состав желатины, на а- частицы под действием быстрых нейтронов можно представить идущим по схеме

С612+0n132Не4+0n11,

О816+0n14Не24+0n12.

Для регистрации медленных нейтронов используется реакция

В510(n,α)Li37В510+0n1Не24+Li37.

Определение массы однозарядных частиц, зарегистрированных ядерных фотоэмульсиях

Наиболее часто используют методы, основанные на определении двух параметров: 1) плотности зерен или промежутков между зернами в следе и пробега частицы,

2) многократное рассеяние и пробега частицы или плотности зерен.

Более простой первый метод (g,R). Этот метод основан на сравнении плотности зерен на следе исследуемой частицы с плотностью зерен на следе известной частицы, например протона.

Рассмотрим первый метод- по остаточному пробегу и плотности зерен. Из опыта и теории известно, что общее число зерен N на остаточном пробеге пропорционально энергии Е в данной точке т.е. N~Е, а Е и R связаны соотношением:

если z=1,то

Где M- масса частицы, к и n- константы для данной эмульсии, z- заряд частицы.

Число зерен

Отношение числа зерен на следах частицы неизвестной массы М и протона

В точках следов частиц, в которых их скорости равны

Отсюда

Изучение следов π- и μ- мезонов в фотоэмульсии

П- и μ- мезоны идентифицируются по характерным следам распадов.

Все мюоны (п,μ)- распада уносят одинаковую кинетическую энергию

Поэтому длина пробега приблизительно одинакова. В конце пути плотность следа возрастает т.к. уменьшается скорость. Отрицательные п- мезоны захватываются ядрами легких элементов либо ядрами серебра или брома; в результате чего образуются «звезды».

Соседние файлы в папке ГОС