авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 8 |

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА ...»

-- [ Страница 4 ] --

Приведенные выше соображения показывают, что взаимодействие тяжелых частиц с этим полем значительно сильнее взаимодействия с ним лёгких частиц. В квантовой теории этому полю должен соответствовать новый тип квантов подобно тому, как электромагнитному полю соответ ствует фотон… Потенциал взаимодействия между нейтроном и протоном должен быть не кулоновским, но убывающим по мере увеличения расстояния r 2e гораздо быстрее. Это можно выразить, например, функцией ± g, где g r - постоянная с размерностью электрического заряда, - постоянная с размерностью см 1. Константы g и должны быть определены путем сравнения с экспериментальными данными… Приблизительный расчет показывает, что теоретические значения совпадают с результатами эксперимента, если принять = 1012 1013 см 1, а для g значение в несколько раз превышающее заряд электрона, хотя никакой прямой зависимости между g и e в приведенных выше рассуждениях не предполагалось… Положив = 5 1012 см 1, получаем для m значение в 2 10 2 раз превышающее массу электрона. Поскольку квант с такой большой массой и положительным или отрицательным зарядом никогда не наблюдался, изложенная теория находится, по-видимому, на неверном пути. Однако мы в состоянии показать, что в условиях обычных ядерных превращений подобный квант не может быть излучен во внешнее пространство.

1935 г. Х. Юкава разработал теорию ядерного взаимодействия и предсказал частицу, связывающую протоны и нейтроны в ядре.

Хидеки Юкава (1907 –1981) Диаграммы N-N взаимодействий N N N N N N N N (140МэВ) (549МэВ) (770МэВ) (782МэВ) N N N N N N N N Пионы описывают NN взаимодействие на расстояниях 1.5 – 2 Фм.

На меньших расстояниях должен происходить обмен более тяжёлыми мезонами ( т с 2 = 782 МэВ), ( т с 2 = 549 МэВ) и ( т с 2 =770 МэВ).

Особую роль в этой области расстояний играет обмен -мезоном. Характер взаимодействия зависит от спина частицы, переносящей взаимодействие.

Обмен векторными частицами J=1 приводит к отталкиванию между нуклонами. Это отталкивание является аналогом отталкивания двух одноимённых зарядов в электростатике. Обмен скалярными мезонами J= приводит к притяжению между нуклонами.

Jp 0-(1) 0-(0) 1-(1) 1-(0) Нобелевская премия по физике 1949 г. Х. Юкава За предсказание существования мезонов на основе теоретических работ по ядерным силам Информацию о свойствах ядерных сил можно получить, изучая простейшую ядерную систему дейтрон или в экспериментах по рассеянию нуклона на нуклоне.

Казалось, что, имея информацию о ядерных силах, действующих между нуклонами, проблему структуры атомных ядер в принципе можно свести к задаче решения уравнения Шредингера для системы A частиц. Однако было очевидно, что такая задача в общем случае не может быть решена. Каждое атомное ядро – уникальный физический объект, имеющий присущие только ему специфические особенности. Взаимодействие нуклонов в ядре видоизменяется по сравнению с взаимодействием свободных нуклонов. Это различие обусловлено действием принципа Паули – в ядре проявляются такие особенности взаимодействия нуклонов, которых нет во взаимодействии свободных нуклонов. Кроме того, в ядерной системе проявляется многочастичный характер ядерных сил, приводящий к образованию в ядре кластерных образований. Наиболее яркий пример — образование -кластеров в ядрах. Многие характеристики ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов отличаются от характеристик соседних ядер с нечетным числом нейтронов или протонов. Структура и свойства деформированных ядер отличаются от характеристик сферических ядер. Поэтому обычно используют различные модели атомных ядер.

Большую роль в моделях атомных ядер играет концепция среднего ядерного поля и остаточного взаимодействия, не включенного в среднее поле. На основе этой концепции удалось объяснить, почему свойства ядер, имеющих близкие значения чисел протонов и нейтронов, сильно различаются друг от друга. В микроскопических расчетах среднее поле выбирается в виде потенциала Вудса-Саксона. Парные взаимодействия между нуклонами объясняют нулевое значение спина всех четно-четных ядер. Спин орбитальное взаимодействие между нуклонами совместно с принципом Паули объясняют последовательность заполнения нуклонных оболочек Существует несколько моделей ядерной структуры, которые на первый взгляд кажутся противоречащими друг другу. Однако эти модели вовсе не исключают друг друга, а касаются различных свойств ядра и поэтому дополняют друг друга. Каждая модель ядра основывается на экспериментальных фактах и позволяет объяснить некоторые их выделенные свойства. Несмотря на то, что ядерные модели имеют ограниченную область применения, тем не менее, они играют важную роль в развитии теории ядра и в их рамках получен ряд существенных результатов.

Модель жидкой капли. Одной из первых моделей атомного ядра была модель жидкой капли, в которой атомное ядро рассматривалось как сферическая капля несжимаемой ядерной жидкости радиуса R 1,3 A1 3 Фм.

Точные измерения показали, что вес ядра не равен сумме весов, входящих в состав ядра нуклонов, а меньше этой величины на несколько десятых процента. Разность этих величин – энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. В 1935 г. К. Вайцзеккер написал полуэмпирическую формулу для энергии связи ядер, в которой энергия связи ядра представлялась суммой объемной поверхностной и кулоновской энергий, энергии симметрии и энергии спаривания нуклонов Z ( Z 1) ( N Z ) + 5 A3 4.

Eсвязи = 1 A + 2 A + 3 + A A Подбором коэффициентов 1 – 5, Вайцзеккеру удалось описать энергии связи стабильных ядер с точностью ~ 0,1%.

Капельная модель дает правильное представление о массе и энергии связи ядра. На основе капельной модели можно рассчитать энергии распадов атомных ядер, получить зависимость между числом протонов и нейтронов в стабильных ядрах, грубо оценить области существования атомных ядер.

Капельная модель ядра объяснила, почему максимум стабильности атомных ядер находится в районе 56Fe. Наибольшим успехом капельной модели ядра явилась полуколичественная теория деления атомных ядер. Однако капельная модель столкнулась с рядом проблем, в частности, она была не в состоянии объяснить асимметрию массового распределения осколков деления – капельная модель предсказывает деление ядра на два осколка одинаковой массы. Вне компетенции капельной модели находятся описания спинов и четностей ядер Модель оболочек. Модель оболочек основывается на том, что свойства ядер, подобно свойствам атомов, обнаруживают определенную периодичность при изменении чисел протонов и нейтронов. На фоне довольно плавной зависимости энергии связи ядер от массового числа A встречаются ядра, в которых энергия связи больше чем в соседних ядрах. В этих ядрах также увеличена энергия отделения нуклона. Они имеют повышенную распространенность в природе. Такие ядра получили название магических, а числа протонов и нуклонов в них, соответствующие повышенной стабильности – магических чисел.

Магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Ядра с магическим числом нейтронов имеют необыкновенно малое сечение поглощения нейтронов. Попытки построения моделей ядра, в которых нуклоны подобно электронам в атоме движутся независимо друг от друга в потенциальной яме, предпринимались неоднократно. Однако в таких моделях удавалось объяснить только первые три магических числа. Кроме того, независимое движение нуклонов в потенциальной яме казалось совершенно невозможным, т.к. в ядре в отличие от атома нет выделенного силового центра. Короткодействующий характер ядерных сил, казалось, исключал введение результирующего среднего поля. В 1949 г. М. Гепперт Майер и Дж. Иенсен сделали решающий шаг в становлении оболочечной модели ядра. Они показали, что в ядерном потенциале необходимо учитывать спин-орбитальное взаимодействие нуклона – взаимодействие спина нуклона с его орбитальным моментом количества движения. Благодаря этому им удалось воспроизвести все магические числа. Они указали также на важность учета принципа Паули при рассмотрении движения нуклонов в ядре.

Энергия связи ядра Eсв ( A, Z ) = [ Zm p + ( A Z )mn M ( A, Z )]c Формула Вайцзеккера ( A 2Z ) Eсв ( A, Z ) = 15,75 A 17,8 A2/3 0,71Z ( Z 1) A1/3 23,6 + aA3/ 4 МэВ, A 34 МэВ для нечетно-нечетных ядер (нечетные N и Z ), a= 0 для четно-нечетных ядер и нечетно-четных ядер, +34 МэВ для четно-четных ядер (четные N и Z ).

Eсв Вклад различных членов в удельную энергию связи ядра =.

A Разность между предсказаниями формулы Вайцзеккера и экспериментальными значениями энергии связи ядер с различными числами нейтронов N. Наиболее сильные расхождения с экспериментальными значениями наблюдаются в окрестностях магических чисел нейтронов N = 20, 28, 50, 82, 126.

1948 г. Оболочечная модель ядра Мария Гепперт-Майер Ханс Йенсен (1906 – 1972) (1906 – 1973) j = l 1 / l j = l +1/ При учете спин-орбитального взаимодействия снимается вырождение по полному моменту j нуклона, который при данном l в зависимости от ориентации спина s = 1/ 2 относительно момента количества движения l принимает два значения j = l ± 1/ 2. Ниже по энергии опускается уровень j = l + 1/ 2, т.к. в этом случае нуклон сильнее взаимодействует с другими нуклонами ядра. В оболочечной модели ядра состояния нуклона описываются с помощью четырех квантовых чисел - n, l, j, jZ, где n - главное квантовое число, l - орбитальный момент нуклона, j - полный момент количества движения нуклона, jZ - проекция полного момента количества движения. В сферически симметричной системе состояния нуклона с разными значениями jZ вырождены.

Нобелевская премия по физике 1963 г. — М. Гепперт-Майер и Г. Йенсен За открытия в области ядерной модели оболочек.

Модель оболочек Одночастичные уровни в сферически-симметричном потенциале.

Нейтронные одночастичные состояния Зависимость энергии нейтронных одночастичных состояний от массового числа A сферически симметричных атомных ядер М. Гепперт-Майер: «Располагая уровни в надлежащем порядке, мы должны принимать во внимание спин-орбитальную связь. Орбиту отдельного нуклона нельзя уже полностью характеризовать лишь орбитальным импульсом l, нужно кроме l учесть еще и j = l ± … Разность энергий двух уровней с одним и тем же l, но с разным j, растет с увеличением l. Предлагаемая модель подразумевает некоторые утверждения, которые можно сравнить с опытными данными. Речь идет о том, что ядро с замкнутой оболочкой протонов и нейтронов обладает равным нулю моментом импульса. Если добавить к ней еще один нуклон, то полный момент будет равен моменту этого одного нуклона. Мы можем предсказать по нашей схеме уровней, что это будет означать. Во всех случаях оказывается полное соответствие между предсказанием и результатами эксперимента».

Возбужденные состояния атомных ядер. Много ценной информации о свойствах атомных ядер дает изучение возбужденных состояний атомных ядер. Средние и тяжелые ядра с достаточно хорошим приближением можно описать как состоящие из нуклонов, расположенных в заполненных оболочках – кор ядра, и нуклонов, находящихся во внешней незаполненной оболочке. Силы спаривания связывают нуклоны в пары с нулевым угловым моментом. Простейшим возбуждением ядра является одночастичный спектр, который обусловлен переходами неспаренного нуклона между уровнями незаполненной оболочки. Эффект спаривания нуклонов сыграл существенную роль в развитии модели оболочек, т.к. оказалось возможным объяснить многие свойства нечетных ядер, используя состояние последней нечетной частицы. Такие спектры наблюдаются в тех случаях, когда число нуклонов в незаполненной оболочке мало. Успехом модели оболочек было объяснение вероятности -переходов. Было показано, что вероятность -переходов увеличивается с увеличением энергии -перехода. Однако в ещё большей степени вероятность переходов зависит от значений спинов и четностей состояний, между которыми происходит переход. Различают электрические и магнитные мультипольные переходы. Модель оболочек предсказала области изомерных состояний атомных ядер – острова изомерии.

Наиболее просто выглядит спектр возбуждённых состояний ядер с одним нуклоном или «дыркой» сверх заполненных оболочек. Нижние возбуждения такого ядра образуются перемещением этого внешнего нуклона на более высокие подоболочки ядра. Примерами возбуждений такого типа являются нижние возбужденные состояния ядер 207 Pb и 209 Pb. Первое из 82 этих ядер – это ядро с нейтронной дыркой в дважды магическом коре 208 Pb, второе – с одним нейтроном сверх этого же кора. В основном состоянии ядро 82 Pb имеет одну вакансию (дырку) в подоболочке 3 p1/ 2. Поэтому спин J и четность основного состояния J P ( 207 Pb) = 3/ 2. Ядро 209 Pb в основном 82 состоянии имеет одну частицу на подоболочке 2g9 / 2 сверх заполненного Pb. J P ( 209 Pb) = 9 / 2+. Возбужденные состояния в изотопах 208 остова Pb и 92 Pb обусловлены соответственно переходам нейтронной дырки (ядро 207 Pb ) или нейтрона (ядро 82 Pb ) между одночастичными уровнями при неизменном дважды магическом коре 208 Pb (Z = 82, N = 126). Одночастичные переходы в ядре происходят между одночастичными состояниями, 82 Pb расположенными над уровнем Ферми. В ядре 207 Pb одночастичные переходы происходят одночастичными состояниями, расположенными ниже уровня Ферми.

Нейтронные подоболочки ядра 208Pb и нижние состояния ядер 207Pb и Pb. Слева от уровня указана его энергия в МэВ. Показано количество нейтронов, заполняющих в основном состоянии внешние подоболочки ядра 208Pb.

По мере заполнения внешней оболочки начинают проявляться коллективные эффекты.

Форма атомных ядер может изменяться в зависимости от того, в каком возбужденном состоянии оно находится. Так, например, ядро 186 Pb в основном состоянии (0+) сферически симметрично, в первом возбужденном состоянии 0+ имеет форму сплюснутого эллипса, а в состояниях 0+, 2+, 4+, 6+ форму вытянутого эллипсоида. Форма атомного ядра может отличаться от сферически симметричной также и в основном состоянии ядра, о чем свидетельствуют наблюдаемые электрические квадрупольные моменты ядер.

Наблюдаемые электрические квадрупольные моменты ядер Q J (2 J 1) Q= Q ( J + 1) (2 J + 3) Пока число нуклонов во внешней оболочке мало, их коллективное взаимодействие проявляется в том, что в ядрах происходят колебания около сферически равновесной формы, наблюдается характерный спектр возбужденных состояний, состоящий из состояний положительной четности J P = 0+, 2+, 4+, описываемых возбуждением одного, двух … квадрупольных фононов J P = 2+. Примером могут служить спектры возбужденных состояний изотопов 62 Ni и 118 Sn.

Увеличение числа нуклонов в незаполненной оболочке вызывает деформацию атомного ядра в основном состоянии. В простейшем случае атомные ядра имеют форму вытянутого эллипсоида Q0 0 или сплюснутого эллипсоида Q0 0, что проявляется в характерном вращательном спектре эллипсоидальных деформированных ядер 2 I ( I + 1) Eвращ =, 2J где I — спин ядра, J — момент инерции ядра. Спин возбужденных состояний ядра I имеет характерную последовательность I = 2, 4, 6, 8, 10... Примером могут служить вращательные состояния четно-четных деформированных изотопов 178 Hf и 234 U. Низшие возбужденные состояния вращательных спектров ядер расположены наиболее низко по энергии и легко возбуждаются в реакции под действием тяжелых ионов.

U Ni Hf Sn 28 Колебательные состояния чётно- Вращательные состояния чётных сферических атомных ядер деформированных чётно-чётных атомных ядер Возбужденные состояния 2+ Состояния J P = 2+ в атомных ядрах возникают в результате • квадрупольных колебаний сферического ядра, • вращения эллипсоидального деформированного ядра, • одночастичного перехода.

В зависимости положения первого 2+ уровня от массового числа А отчётливо проявляются эффекты, обусловленные деформацией атомного ядра. Энергия первого 2+ уровня в деформированных ядрах имеет гораздо меньшие значения, чем энергия колебательного 2+ уровня. В ядрах, имеющих заполненные оболочки, энергия 2+ уровня превышает 1 МэВ.

Спектр возбуждённых состояний атомных ядер имеет сложную природу. Он является суперпозицией одночастичных возбуждений, коллек тивных вращательных и колебательных возбуждений. Лишь в очень ограни ченном числе ядер доминирует какая-либо одна из вышеперечисленных ветвей возбуждений. Характерные энергии одночастичных возбуждений в ядрах – мегаэлектронвольты, вибрационных – сотни-тысячи килоэлектрон вольт, вращательных – десятки-сотни килоэлектронвольт.

Модель ядерных оболочек столкнулась с проблемами при описании электрических квадрупольных моментов ядер. В модели ядерных оболочек оказалось невозможно объяснить большие квадрупольные моменты ядер, далеких от магических ядер, в частности, в ядрах с A = 140-190 и в области трансурановых элементов. Для описания таких ядер Дж. Рейнуотер предложил изменить одночастичную модель, основанную на сферически симметричном потенциале, и учесть деформацию, вызванную нуклонами внешней незаполненной оболочки. В коллективной модели, развитой Дж. Рейнуотером, О. Бором, Б. Моттельсоном, Б. Нильсоном, исходят из деформированного среднего эллипсоидального ядерного потенциала.

Дж.Рейнуотер: «В модели оболочек Майер использует оболочечные волновые функции, основанные на сферическом потенциале. Работа Бора и Уиллера о делении показала, что ядра могут принимать сфероидальную форму, если это энергетически выгодно. Для малых значений отклонений (разность большой и малой осей, отнесенной к среднему радиусу ядра) при постоянном объеме ядра поверхностная энергия возрастает как 2, при этом некоторая компенсация происходит за счет уменьшения кулоновской энергии (для больших Z). Моя модель предполагала постоянную глубину ямы, при искажении ее формы: в направлении оси Z радиус R возрастает до 2 1 + 3 R0 и уменьшается по X и Y до 1 3 R0 (или соответственно 2 3 R0e и R0 e ) … Многие ядра весьма значительно отклоняются от сферической формы и поэтому для этих областей не имеет смысла использовать сферическую модель ядра».

Модель, развитая О. Бором, включает в себя, на первый взгляд, две противоположные модели – капельную и оболочечную. Остов атомного ядра рассматривается как деформированная жидкая капля, в которой возможны различные типы коллективных движений – вращения, колебания. Внешние нуклоны описываются так же как в модели оболочек. Благодаря связи движения внешнего нуклона и изменению поверхности атомного ядра полный момент ядра складывается из проекции спина нуклона на ось симметрии ядра и коллективного момента остова ядра. В этом случае полный момент нуклона перестает быть хорошим квантовым числом. Энергия состояния нуклона в деформированном эллипсоидальном потенциале зависит от проекции момента на ось симметрии ядра.

О.Бор: «Джеймс Рейнуотер думал о происхождении больших квадрупольных моментов и высказал идею, которая сыграла решающую роль в развитии теории. Он осознал, что если учесть деформированность ядра как целого, то прямым следствием одночастичного движения по анизотропным орбитам будет возникновение несферической равновесной формы… Оказалось, что схема связи, характеризующая сильно деформированные ядра с четко выраженной полосой вращательных состояний реализуется для обширного класса ядер. Кульминацией волнующей весны 1953 г. стало открытие процесса кулоновского возбуждения, представившего возможность систематического изучения вращательных возбуждений».

Многие свойства атомных ядер зависят от деформации ядра, которая в свою очередь зависит от конфигурации нуклонов внешней оболочки. В области заполненных оболочек ядра имеют равновесную сферическую форму и в таких ядрах наблюдаются как одначастичные степени возбуждения, так и колебания сферически симметричного остова. Вдали от заполненных оболочек ядра приобретают большую деформацию. В этом случае также можно выделить одночастичные возбуждения нуклонов относительно деформированного остова и вращательное состояние деформированного остова.

Разделение возбуждений в ядре на одночастичное и коллективное соответствует предположению, что в общем случае волновая функция, являющаяся решением уравнения Шредингера для ядра, имеет вид = одночаст колеб вращат, одночаст соответствует одночастичному возбуждению, колеб соответствует колебанию ядра относительно своей равновесной формы, вращат соответствует коллективному вращательному движению ядра как целого.

Б. Моттельсон: «Картина ядерной динамики включает большое разнообразие различных коллективных возбуждений, которые настолько элементарны как и сами одночастичные возбуждения, в том смысле, что они остаются приблизительно независимыми при конструировании ядерного спектра возбуждений … Центральным элементом в анализе элементарных видов возбуждений и их взаимодействий является связь частицы с колебаниями, которая выражает вариации среднего потенциала, связанные с коллективной колебательной амплитудой. Эта связь представляет собой организующий элемент, который генерирует самосогласованные коллективные типы возбуждений из возбуждений частиц. В то же время она приводит к взаимодействиям, которые дают естественный предел для анализа в терминах элементарных видов возбуждений».

Обобщенная модель ядра Оге Бор Джеймс Рейнуотер Бен Моттельсон (1922-2009) (1917-1986) (р. 1926) H = Hодн + H вращ + H однвращ В простейшем варианте обобщенной модели ядер учитываются два типа ядерных движений: коллективное вращение ядра относительно внешней системы координат ( x, y, z ), обусловленное его деформацией, и одночастичное движение нуклонов относительно внутренней, вращающейся системы координат (1, 2, 3) в деформированной потенциальной яме.

J ' - момент количества движения нуклона, R - вращательный момент количества движения остова ядра, J - полный момент количества движения (спин) ядра, K - проекция спина ядра на ось симметрии ядра.

Нобелевская премия по физике 1975 г. — О. Бор, Б. Моттельсон и Дж. Рейнуотер За открытие связи между коллективным и одночастичным движением в атомном ядре и создание на базе этой теории структуры атомного ядра.

Как возникла модель сфероидальных ядер Дж. Рейнуотер В первой половине 1949 г. три группы в одном и том же выпуске «Physical Review» представили различные «объяснения» оболочечной структуры ядра. Из них работа Марии Майер представляет принятую теперь, модель. Похожее предложение И. Г. Д. Иенсена с сотрудниками было опубликовано в то же время. За эти работы Майер и Иенсену была присуждена Нобелевская премия по физике в 1963 г.

Я был весьма заинтересован моделью оболочек, предложенной Майер, поскольку эта модель неожиданно позволила понять большое количество экспериментальных данных о спинах, о магнитных моментах изомерных состояний, о систематике -распада и «магические числа» при Z, N = 2, 8, (28), 50, 82, 126.

Наблюдается качественное согласие, с моделью «оболочек Майер – Иенсена, значения моментов проходят через нуль при заполнении нейтронных и протонных оболочек. Для ядер с заполнённой оболочкой плюс один протон с очень высоким значением орбитального момента квадрупольные моменты отрицательны, как и ожидалось, так как протон располагается на экваториальной орбите. При удалении нуклонов из заполненных оболочек с высоким значением l значение Q возрастает и становится положительным, достигая максимального значения при заполнении орбиты с данным l почти наполовину и убывая при дальнейшем уменьшении числа нуклонов. Проблема заключалась в том, что значение Q/R при R=1,5·10–12 см достигает 10 для ядра 176Lu, что в 30 раз превышает значение, которое можно было бы ожидать на основе волновых функций для сферического потенциала модели оболочек, связанных таким образом, чтобы дать состояние 7– (Z = 71, N = 105, = 4·1010 лет). Для ядер редкоземельной области наиболее часто встречаются значения Q, сильно превышающие ожидаемые величины.

Одним из интересныx свойств, даваемых моделью оболочек для деформированного ядра, является возможность прохождения внутренней энергии через минимум при возрастании деформации. Затем внутренняя энергия возрастает, пока энергия орбиты, вначале расположенной при большей энергии, но убывающей быстрее с деформацией, не пересечет последнюю заполненную вначале орбиту и не станет определять наименее связанное заполненное состояние.

Вращательное движение в ядрах О. Бор Трудно сегодня полностью представить то потрясение, которое испытали физики, воспитанные на представлениях модели жидкой капли и модели составного ядра, на которых основывалась интерпретация ядерных явлений в течение предыдущего десятилетия, в связи с обнаружением оболочечной структуры ядра.

Значение магнитных моментов в то время представлял собой один из наиболее обширных количественных классов данных по свойствам ядер. Эти данные требовали разъяснения от теории. Значения моментов обнаруживали сильную корреляцию с предсказаниями одночастичной модели, однако вместе с тем наблюдались существенные отклонения, которые свидетельствовали о наличии некоторого не включенного в рассмотрение эффекта.

Ключ к пониманию отклонений схемы связи угловых моментов в ядре от предсказаний одночастичной модели дало обнаружение у многих ядер большого квадрупольного момента, более чем на порядок превышающего одночастичные значения. Из этого факта непосредственно следовало распределение углового момента между многими частицами, что, казалось, подразумевало нарушение применимости одночастичной модели. Однако основные черты одночастичной модели могут быть сохранены, если предположить, наличие отклонения от сферической симметрии у среднего ядерного поля, в котором движется нуклон. Такая картина приводит к модели ядра, напоминающей модель молекулы. В этой модели сердцевина ядра обладает колебательными и вращательными степенями свободы. По видимому, нет никакого основания ожидать, что вращательное движение является классическим движением твердого тела. Однако вследствие большого числа нуклонов, участвующих в образовании деформащш, частота вращения должна быть мала по сравнению с частотой движения отдельных частиц.

В этот момент существенной поддержкой для обсуждаемых работ явилось следующее открытие. Оказалось, что схема связи, характеризующая сильно деформированные ядра с четко выраженной полосой вращательных состояний, реализуется для обширного класса ядер. Первое указанно было получено Гольдхабер и Саньяром, которые обнаружили, что вероятности электрических квадрупольных переходов для распада низколежащих возбужденных состояний в четно-четных ядрах в ряде случаев были значительно больше соответствующих значений для одночастичных переходов. Это свидетельствовало о наличии коллективных видов возбуждения. Вскоре стали накапливаться указания на то, что рассматриваемые возбуждения являются частью последовательности уровней с угловыми моментами I = 0, 2, 4… и энергиями, пропорциональными I (I + 1).

Элементарные виды возбуждения в ядрах Б. Моттелъсон Когда я впервые приехал в Копенгаген в 1950 г., было известно, что в ядрах иногда имели место явления, обусловленные независимым движением частиц, тогда как в других явлениях, например, в процессе деления и в проблеме больших квадрупольных моментов, несомненно, проявлялось коллективное поведение всего ядра как целого.

Большой класс спектров имеет черты, соответствующие квадрупольным колебаниям относительно сферически симметричной формы.

Существование статической деформации в некоторых классах ядер получило дальнейшее решающее подтверждение в успешной классификации соответствующих состояний этих спектров в терминах одночастичного движения и надлежащим образом деформированном потенциале.

Замечательной особенностью развивающейся картины ядерных спектров возбуждения было разделение на классы ядер сферической формы и ядер с большими деформациями.

В то время как в образовании низкочастотных спектров доминируют переходы частиц внутри частично заполненных оболочек, с возбуждением замкнутых оболочек связаны новые виды ядерной динамики. Классическим примером коллективного возбуждения этого типа является «гигантский дипольный резонанс».

Центральным элементом в анализе элементарных видов возбуждения и их взаимодействий является связь частицы с колебанием, которая выражает вариации среднего потенциала, связанные с коллективной колебательной амплитудой. Эта связь представляет собой организующий элемент, который генерирует самосогласованные коллективные типы возбуждений из возбуждений частиц. В то же время она приводит к взаимодействиям, которые дают естественный предел для анализа в терминах элементарных видов возбуждения.

Одночастичные состояния деформированных ядер 1 M(xy (x 2 + y 2 )+ z2 z 2 )+ Cls + Dl VНильс (r) = Сложение моментов в сфероидально деформированном ядре Энергетические уровни ядра 249Bk. Слева изображены все наблюдаемые уровни в энергетическом интервале 0-600 КэВ. Справа приведено разбиение этих уровней на три вращательных полосы.

Энергетические уровни ядра 168Er. Под каждой вращательной полосой указаны проекция K углового момента на ось симметрии и четность. Сверху над каждым вращательным уровнем указаны спин J и энергия возбуждения E соответствующего состояния. Уровень энергии 821.19 кэВ отвечает квадрупольным колебаниям деформированной ядерной поверхности.

Дипольный гигантский резонанс атомных ядер. Яркий пример образования коллективной степени свободы из одночастичных переходов – электрический гигантский дипольный резонанс в атомных ядрах.

Возбуждение ядерного кора проявляется при более высоких энергиях.

Так, во всех ядрах наблюдается дипольный гигантский резонанс, который расположен в районе 25 МэВ в легких ядрах и при 12–15 МэВ – в тяжелых ядрах. Простейшая интерпретация дипольного гигантского резонанса – колебание всех протонов относительно всех нейтронов. Такие колебания возбуждаются в реакциях под действием -квантов.

Одночастичные возбуждения, возникающие как результат перехода нуклона между соседними оболочками в результате частично-дырочного взаимодействия приводят к формированию коллективного состояния, вбирающего в себя всю силу одночастичных переходов и сдвинутого к более высокой энергии по сравнению с одночастичными переходами. В рамках коллективных моделей такое коллективное состояние интерпретируется как когерентные дипольные колебания протонов относительно нейтронов.

Коллективизация состояний дипольного гигантского резонанса приводит к уменьшению его энергетической области возбуждения. По мере увеличения массового числа A положение максимума гигантского резонанса смещается к меньшим энергиям от 25 МэВ в лёгких ядрах к 12 МэВ в тяжёлых ядрах.

Положением максимума гигантского резонанса E хорошо аппроксимируется соотношением E = 78 A1/3 МэВ.

Интегральное сечение поглощения в области гигантского резонанса описывается соотношением 60NZ = МэВмбн.

A В области деформированных ядер гигантский резонанс расщепляется на две компоненты, соответствующие колебаниям протонов относительно нейтронов вдоль двух осей ядерного эллипсоида ( 159 Tb, 235 U ). В лёгких ядрах ( 6 Li, 16 O, 32 S ) проявляется конфигурационное расщепление дипольного гигантского резонанса, соответствующее дипольным переходам нуклонов из различных оболочек. В лёгких ядрах эффекты коллективизации ещё не проявляются столь сильно, как в тяжёлых ядрах, в которых значительно увеличивается число коллективизированных одночастичных переходов.

Дипольный гигантский резонанс атомных ядер Кластеры в лёгких ядрах N 11.0 ms 9 10 C 0.1265 s C 19.2 s C 98.89 % C 20.38 m 8 B 0.769 s B 80.2 % B 19.8% B 540 eV 7 Be 53.3 d Be 100% Be 6.8 eV Li 7.5 % Li 92.5 % Несмотря на то, что в простейших моделях атомное ядро обычно рассматривается как система, состоящая из отдельных нуклонов, в результате взаимодействия между нуклонами в ядре образуются компактные структуры, состоящие из двух или большего числа частиц, которые могут возникать внутри атомного ядра. Кластерная структура особенно отчетливо проявляется в лёгких ядрах. Кластерная структура атомных ядер проявляется в процессах -распада, в различных ядерных реакциях.

11. Ядерные реакции.

Большую роль в развитии представлений о структуре ядер сыграло изучение ядерных реакций, что дало обширную информацию о спинах и четностях возбужденных состояний ядер, способствовало развитию модели оболочек. Изучение реакций с обменом несколькими нуклонами между сталкивающимися ядрами позволило исследовать ядерную динамику в состоянии с большими угловыми моментами. В результате были открыты длинные ротационные полосы, что послужило одной из основ создания обобщенной модели ядра. При столкновении тяжелых ядер образуются ядра, которых нет в природе. Синтез трансурановых элементов в значительной мере основывается на физике взаимодействия тяжелых ядер. В реакциях с тяжелыми ионами образуются ядра, удалённые от полосы -стабильности.

Ядра, удаленные от полосы -стабильности, отличаются от стабильных ядер другим соотношением между кулоновским и ядерным взаимодействиями, соотношением между числом протонов и числом нейтронов, существенными различием в энергиях связи протонов и нейтронов, что проявляется в новых типах радиоактивного распада – протонной и нейтронной радиоактивности и рядом других специфических особенностей атомных ядер.

При анализе ядерных реакций необходимо учитывать волновую природу частиц, взаимодействующих с ядрами. Волновой характер процесса взаимодействия частиц с ядрами отчетливо проявляется при упругом рассеянии. Так для нуклонов с энергией 10 МэВ приведенная дебройлевская длина волны меньше радиуса ядра и при рассеянии нуклона возникает характерная картина дифракционных максимумов и минимумов. Для нуклонов с энергией 0,1 МэВ длина волны больше радиуса ядра и дифракция отсутствует. Для нейтронов с энергией 0,1 МэВ сечение реакции ~ гораздо больше, чем характерный размер площади ядра R 2.

Ядерные реакции являются эффективным методом исследования ядерной динамики. Ядерные реакции происходят при взаимодействии двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц, разлетающихся из области взаимодействия. В результате ядерной реакции происходит сложный процесс перестройки атомного ядра.

Как и при описании структуры ядра, при описании ядерных реакций практически невозможно получить точное решение задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными моделями, протекание ядерной реакции описывается различными механизмами реакций. Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов – от типа налетающей частицы, типа ядра-мишени, энергии налетающей частицы и от ряда других факторов. Одним из предельных случаев ядерной реакции является прямая ядерная реакция. В этом случае налетающая частица передаёт энергию одному-двум нуклонам ядра, и они покидают ядро, не взаимодействуя с другими нуклонами ядра. Характерное время протекания прямой ядерной реакции 1023 с. Прямые ядерные реакции идут на всех ядрах при любой энергии налетающей частицы. Прямые ядерные реакции используются для изучения одночастичных состояний атомных ядер, т.к.

продукты реакции несут информацию о положении уровней, из которых выбивается нуклон. С помощью прямых ядерных реакций была получена детальная информация об энергиях и заполнении одночастичных состояний ядер, которая легла в основу оболочечной модели ядра. Другим предельным случаем являются реакции, идущие через образование составного ядра.

Описание механизма ядерных реакций было дано в работах В.Вайскопфа.

В.Вайскопф: «Что происходит, когда частица входит в ядро и сталкивается с одной из ядерных составных частей? Рисунок иллюстрирует некоторые из этих возможностей.

1) Падающая частица теряет часть своей энергии, поднимая ядерную частицу в более высокое состояние. Это будет результатом неупругого рассеяния, если падающая частица остается с энергией, достаточной для того, чтобы снова покинуть ядро. Этот процесс называют прямым неупругим рассеянием, поскольку он предполагает рассеяние только на одной составной части ядра.

2) Падающая частица передает энергию коллективному движению, как это символически показано на второй схеме рисунка, это также является прямым взаимодействием.

3) На третьей схеме рисунка переданная энергия достаточно велика для того, чтобы вырвать нуклон из мишени. Этот процесс также дает вклад в прямую ядерную реакцию. В принципе он не отличается от 1), он соответствует «обменной реакции».

4) Падающая частица может потерять так много энергии, что Прямое Прямое неупругое Образование Образование Прямая реакция неупругое рассеяние (коллек- компаунд-ядра компаунд-ядра рассеяние тивное возбуждение) (1 шаг) (2 шаг) остается связанной внутри ядра, переданная энергия может быть принята низколежащим нуклоном таким образом, что он не сможет оставить ядро.

Мы получаем тогда возбужденное ядро, которое не может испустить нуклон. Это состояние с необходимостью приводит к дальнейшим возбуждениям нуклонов внутренними столкновениями, в которых энергия на возбужденную частицу в среднем убывает, так что в большинстве случаев нуклон не может покинуть ядро. Следовательно, будет достигнуто состояние с очень большим временем жизни, которое может распасться только в том случае, когда одна частица при столкновениях внутри ядра случайно приобретет достаточную энергию для того, чтобы покинуть ядро.

Такую ситуацию мы называем образованием компаунд-ядра. Энергия может быть потеряна также излучением, после которого вылет частицы становится энергетически невозможным: падающий нуклон испытает радиационный захват.

5) Образование компаунд-ядра может осуществляться в два или более шагов, если после процесса типа 1) или 2) падающий нуклон на своем пути ударяет другой нуклон и возбуждает его таким образом, что вылет из ядра оказывается невозможным для любого нуклона».

Впервые представление о протекании ядерной реакции через стадию составного ядра было высказано Н.Бором. Согласно модели составного ядра, падающая частица после взаимодействия с одним или двумя нуклонами ядра передаёт ядру большую часть своей энергии и оказывается захваченной ядром. Время жизни составного ядра гораздо больше, чем время пролёта налетающей частицы через ядро. Внесенная налетающей частицей в ядро энергия перераспределяется между нуклонами ядра до тех пор, пока значительная её часть не сосредоточится на одной частице и тогда она вылетает из ядра. Образование долгоживущего возбужденного состояния может в результате деформации привести к его делению.

Механическая модель описания ядерной реакции Н. Бор: «Явление захвата нейтронов заставляет нас предполагать, что столкновение между быстрым нейтроном и тяжелым ядром должно вести прежде всего к образованию сложной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью. Возможный последующий распад этой промежуточной системы с вылетом материальной частицы или переход к конечному состоянию с эмиссией кванта лучистой энергии следует рассматривать как самостоятельные процессы, не имеющие непосредственной связи с первой фазой соударения. Мы встречаемся здесь с существенной разницей, ранее еще нераспознанной, между настоящими ядерными реакциями – обычными соударениями быстрых частиц и атомных систем – соударениями, которые до сих пор для нас являлись главным источником сведений относительно строения атома. Действительно, возможность счета посредством таких столкновений отдельных атомных частиц и изучение их свойств обязаны, прежде всего, «открытости»

рассматриваемых систем, которая делает весьма маловероятными обмен энергии между отдельными составляющими частицами в продолжение удара. Однако вследствие тесной упаковки частиц в ядре, мы должны быть готовы к тому, что именно этот обмен энергии играет основную роль в типичных ядерных реакциях».

Классификация ядерных реакций. Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер. Если длина волны налетающей частицы больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в целом. Если меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам.

• Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно большой массы (протоны, -частицы и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер.

• Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер.

• Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 107–1010 К и являются основным источником энергии звезд.

• Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами квантов и электронов с энергией E 10 МэВ.

• Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра.

• Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности.

Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.

Реакции на медленных нейтронах «1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное: активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса. Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку. Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец - вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое! - предложил Ферми. - Скажем, парафин».

Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином.

Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!»

Парафин увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз.

В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв, установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже была готова теория, которая объясняла странное действие парафина».

Л. Ферми. «Атомы у нас дома»

1934 г. Реакции под действием тепловых нейтронов 1934 г. Э. Ферми сформулировал теорию -распада и ввел новое понятие — слабое взаимодействие 1942 г. Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе Энрико Ферми (1901–1954) Ферми нашёл объяснение этого странного поведения отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит радиус ядра R мишени, пределом поперечного сечения является не R 2, a 2 с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых случаях c составляет 103 или даже 104 от геометрического поперечного сечения ядра.

Э. Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания.

Нобелевская премия по физике 1938 г. — Э. Ферми За демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, полученных с помощью нейтронного облучения и за открытие реакций, вызванных медленными нейтронами.

12. Деление ядер В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 92 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате -распада изотопа U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактив ных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий ( Z = 56 ) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно пред положению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.

Л.Мейтнер и О.Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части 92 U + n 56 Ba + 36 Kr + Kn.

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (K 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа U, образующегося при захвате теплового нейтрона U. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U. Для наиболее распространенного изотопа 239 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электростанция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.

В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана.

О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры.

Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238U составляет 1016–1017 лет, в то время как период распада изотопа U составляет 4,5·109 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является -распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 107–108 актов -распада.

Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 / A. В изотопах Z 92 –95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z 100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С уве личением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с -распадом увеличивается.

Изотоп Период полураспада Каналы распада 7, 04 108 лет (100%), SF ( 7 109 %) 92 U (100%), SF ( 5,5 105 %) 4, 47 109 лет U (100%), SF ( 5, 7 106 %) 6,56 103 лет Pu (100%), SF ( 5,5 104 %) 3, 75 105 лет Pu (99,97%), SF (0,03%) 4,76 103 лет Cm (96,91%), SF (3,09%) Cf 2,64 лет (0,31%), SF (99,69%) Cf 60,5 лет (1, 0 106 %), SF (100%%) Cf 12,3 лет Деление ядер. История 1934 г. — Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось.

Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

1939 г. — О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.

Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка.

Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.

Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.

Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.

1940 г. — Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

1942 г. — Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе.

1945 г. — Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы.


1946 г. — Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор.

1954 г. — Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР).

Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами.

Атомы, возникающие во всех этих ядерных реакциях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы — урана — происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы.

Здесь выступают различные виды распада. Возникающие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше;

у некоторых время полураспада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоящие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г.

Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 1015 лет;

этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.

Расщепление урана посредством нейтронов дает теперь возможность того использования атомной энергии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна».

М. Лауэ, «История физики»

1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56) Отто Ганн (1879 – 1968) Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы – нейтроны, электроны, -частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.

Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 U, отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид n + 235 U 236 U 95 Sr + 139 Xe + 2n.

92 92 Нобелевская премия по химии 1944 г. — О. Ган.

За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.

Осколки деления Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра.

Открытие деления ядер. 1939 г.

Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы;

ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора;

подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.

Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.

Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.

Спонтанное деление ядер В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер.

Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что -частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой;

импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от -частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле.

Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см2.

В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю даться с камерами обычного типа… Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана… Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:

U238 – 1016 ~ 1017 лет, U235 – 1014 ~ 1015 лет, U234 – 1012 ~ 1013 лет.

К.А. Петржак, Г.Н. Флеров.

Опубликовано: ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 1013.

Распад изотопа 238U Процентное содержание Изотоп Период полураспада в естественной смеси 2,4 105 л 0,0054% U 7,04 108 л 0,72% U 4,47 109 л 99,27% U Спонтанное деление ядер Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92... Цепная реакция деления U на тепловых нейтронах Деление Быстрые Осколок Осколок нейтроны деления деления Замедлитель Медленные нейтроны Может уйти из системы U U U Захват Деление нейтрона Быстрые Осколок Осколок Превращение в 239Np нейтроны деления деления и затем в 239Pu Замедлитель Медленные нейтроны Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был 0, 7. Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1,0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0,5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт.

При этом реактор потреблял 0,002 г урана-235 в день.

Первый ядерный реактор в СССР Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф- было готово к июню 1946 г.

После того как были проведены все необходимые эксперименты, раз работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графи товые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтронно физической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к соору жению реактора Ф-1.

Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т гра фита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых — создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего — плутония.


13. Образование атомных ядер Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.

2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.

3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.

4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.

5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).

6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).

7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.

8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z. Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной t =0 Большой взрыв. Рождение Вселенной 5 105 (г/см3 ) = 2, T (К) = t (с) t (с) t = 1043 с Эра квантовой гравитации. Струны = 1090 г/см3, T = 1032 К t = 1035 с Кварк-глюонная среда = 1075 г/см3, T = 1028 К t = 1 мкс Кварки объединяются в нейтроны и протоны = 1017 г/см3, T = 6 1012 К t = 100 с Образование дозвездного 4 He = 50 г/см3, T = 109 К t = 380 тыс. лет Образование нейтральных атомов = 0,5 1020 г/см3, T = 3 103 К Горение водорода в звездах t = 108 лет ПЕРВЫЕ ЗВЕЗДЫ = 102 г/см3, T = 2 106 К Горение гелия в звездах = 103 г/см 3, T = 2 108 К Горение углерода в звездах = 105 г/см3, T = 8 108 К Горение кислорода в звездах = 105 106 г/см3, T = 2 109 К Горение кремния в звездах = 106 г/см3, T = (3 5) 109 К t = 13, 7 млрд. лет Современная Вселенная = 1030 г/см 3, T = 2, 73 К Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4He p + n 1H + 2.22 МэВ, 3 H + p + 4.03 МэВ, 2 + 1H H 2 He + n + 3. МэВ, H + 3 H 4 He + n + 17.59 МэВ, 1 1 H + 3 He 4 He + p + 18.35 МэВ.

1 2 Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.

Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2H), изотопы 3He и 7Li.

Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 104-105, 3He – в количестве 105, а 7Li – в количестве 1010.

Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием -квантов и последующим –-распадом образовавшихся ядер.

Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер ( A 7 ) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 109 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e, позитронов e +, нейтрино, антинейтрино и фотонов. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e, позитронами e + и нуклонами.

e+ + e +, p + e n + e, n + e+ p + e.

В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией EN, равной энергии покоя нуклона, описывается WN = Ae EN kT.

распределением Гиббса Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона nнейтр Aemnc kT ( m m ) c 2 kT = m c2 kT = e n p nпрот Ae p Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т 1010 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e + e -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

p + n d +, He + n 3 He + p, d + p 3 He +, He + p 4 He + n, He + p He + d 4 He + n.

3 d +d 3, He + n Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4Не. 7Ве, 6Li и 7Li составляют лишь ~ 10–9 – 10–12 от образования изотопа 4Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4Не. При плотности вещества ~ 10–3 – 10–4 г/см вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10–4. Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.

Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции.

Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 He.

Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения.

Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию GM Eп = = 1,91 1015 эрг/г.

R Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной = 1,96 эрг/гс.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 1015 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет… В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время… С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция H + H D + e+ +.

1938 г. — Ганс Бете и Чарльз Критчфильд открыли протон-протонный цикл термоядерных реакций как источник энергии звезд.

Ганс Бете и Карл фон Вайцзеккер открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций.

Ганс Бете (1906-2005) Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд.

Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции p + p d + e + +. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 107 К, а плотность — 105 кг/м3. То обстоятельство, что реакция p + p d + e + + происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике 1967 г. — Г. Бете За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором;

результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ.

Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле».

Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода — преобразование четырех ядер водорода в ядро He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

• протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;

• углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О.

Температура внутренних слоев Солнца составляет 1,5·107 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.

Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция p + p 2H + e+ + e + Q, начинается в центральной части звезды при плотностях 100 г/см3. Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

d + e+ + (0.42 МэВ) p+p 5.8·109 лет p + p + e– d + (1.44 МэВ) 2.3·1012 лет + (5.49 МэВ) 3He d+p 3.2·10-8 лет 69% 4He + 2p (12.86 МэВ) 3He + 3He 31% 1.5·105 лет (Q = 24.7 МэВ) ppI + (1.59 МэВ) 3He + 4He 7Be 6.5·105 лет 99.7% 7Be + e– + + (0.86 МэВ) 7Li 0.2·года 0.3% 7Li+ p 4He + 4He (17.35 МэВ) 2·10-5 лет (Q = 25.7 МэВ) ppII + (0.14 МэВ) 7Be+ 8B p 71·год + e+ + (14.06 МэВ) 8Be* 8B 2·10-8 лет 8Be* 4He + 4He (3.0 МэВ) 10-29 лет (Q = 24.7 МэВ) ppIII Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p 2H + e+ + e + 0.42 МэВ, p + 2H 3He + 5.49 МэВ, He + 3He 4He + p + p + 12.86 МэВ или в более компактном виде 4p 4He + 2e+ + 2 e + 24.68 МэВ.

Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4 p 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0,1 МэВ до энергии ~12 МэВ.

Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.

Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26,7 МэВ.

Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.

Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4Не l C + p 13N + N 13C + e+ + C + p '4N + N + p 15O + O 15N + e+ + N + p 12C + 4He CNO - цикл Цепочка реакций I Цепочка реакций III Цепочка реакций II Цепочка реакций I C + p 13N + (Q = 1.94 МэВ) N 13C + e+ + e (Q = 1.20 МэВ, T1/2=10 мин) C + p 14N + (Q = 7.55 МэВ) N + p 15O + (Q = 7.30 МэВ) O 15N + e+ + e (Q = 1.73 МэВ, T1/2=124 с) N + p 12C + 4He (Q = 4.97 МэВ).

Цепочка реакций II N + p 16O + (Q = 12.13 МэВ), O + p 17F + (Q = 0.60 МэВ), F 17O + e+ + e (Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c), O + p 14N + (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III O + p 18F + (Q = 6.38 МэВ), F 18O + e+ + e (Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин), O + p 15N + (Q = 3.97 МэВ).

Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)·107 К. При этих температурах требуется 106 – 1010 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z 2.

Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 106 К начинаются реакции горения 4Не. Реакция 3 4 He 12 C + наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех -частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех -частиц.

Образование средних ядер A 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, -частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего -распада.

Образование средних и тяжелых ядер A 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа.

Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами — протонами и другими лёгкими ядрами — препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.

: (102 106 ) г/см T : (2 106 5 108 ) К Образование элементов 4 He 32 Ge.

Эволюция массивной звезды M 25M По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее.

Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.

Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются -радиоактивными.

В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, ):

(A, Z) + n (A+1, Z) +.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и -частиц – продуктов диссоциации железа под действием -квантов. В районе M / M = 1,5 преобладает 28Si. 20Ne и 16О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M / M. Внешняя оболочка звезды ( M / M 8 ) состоит из водорода и гелия.

На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость.

Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4Не.

2. Горение гелия. В результате реакции 4Не + 4Не + 4Не 12С + образуются ядра 12С.

3. -процесс. В результате последовательного захвата -частиц образуются -частичные ядра 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si,...

4. е-процесс. При достижении температуры 5·109 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.

5. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате -распада. Каждый -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.