Материал: Конспект лекций по общей физики (1-4 семестр)

370

Лекция 48

7.3. Ядерные реакции

Ядерная реакция – процесс сильного взаимодействия с элементарной частицей или с другим ядром, сопровождающийся преобразованием ядер. Общий вид уравнения ядерной реакции:

Ядерные реакции обусловлены сильным взаимодействием.

7.3.1. Выход ядерной реакции

Эффективное сечение реакции σ – площадь сечения исходного ядра X, попадя в которую, налетающая частица вызывает реакцию;

[σ] = барн = 10–28 м2.

Если мишень тонкая, т. е. ядра не перекрывают друг друга, то доля площади S

7.3.2. Типы ядерных реакций

1.Реакции, вызываемые медленными частицами:

a X C* b Y,

C* – составное (промежуточное) ядро. Ядро C* находится в возбуждённом состоянии, его время жизни τ ~ 10–14 с.

2.Реакции, вызываемые быстрыми частицами (энергия налетающей частицы

Wα ≥ 102 МэВ):

Это прямые реакции.

ПРИМЕР

Синтез трансурановых химических элементов

Здесь имеет место резонансный захват нейтрона.

7.3.3. Энергия ядерной реакции

Применим к ядерной реакции закон сохранения энергии:

371

Экзоэнергетическая реакция –реакция, протекающая с выделением энергии:

Q > 0.

Эндоэнергетическая реакция –реакция, протекающая с поглощением энергии:

Q < 0.

Выразим энергию реакцию через массы частиц, участвующих в реакции, и их дефекты масс:

7.3.4. Реакция деления атомного ядра

Это реакция 1-го типа – ядро проходит через ряд промежуточных состояний.

На исходное ядро налетает нейтрон и оно разделяется на два осколка с испусканием двух нейтронов:

При одном налетающем нейтроне образуются два. Если имеются другие исходные ядра, то возможна цепная реакция с лавинообразным нарастанием числа нейтро-

нов (РИС. 48.2).

Пусть имеется образец радиуса R, изготовленный из делящегося материала. Так как число выходящих из образца нейтронов пропорционально площади его поверхности (R2), а число рождающихся нейтронов пропорциональна объёму образца (R3), то существует некоторый критический радиус Rкр, а также критическая масса: при R > Rкр начинается цепная реакция.

При превышении этих параметров происходит

неуправляемая реакция деления, т. е. ядер-

ный взрыв.

Рис. 48.1

373

Результат обоих этих циклов – превращение четырёх протонов в ядро гелия с рождением двух позитронов и γ-излучения. На одно ядро гелия выделяется энергия Q = 26,8 МэВ. Именно за счёт энергии, высвобождающейся при таких термоядерных реакциях, светят звёзды.

– эту реакцию предполагается использовать для получения энергии при управляемом термоядерном синтезе;

1.Достижение минимальной температуры

2.Достижение минимального значения величины nτ, где n – концентрация исходных частиц, τ – время удержания плазмы.

Для реакции (48.1) nτ > 1016(м3∙с)–1, τ > 108 К.

374

Лекция 49

7.4. Элементарные частицы82

7.4.1. Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы – частицы, проявляющие себя как бесструктурные.

Примеры всех типов частиц приведены в ТАБЛИЦАХ 49.1, 49.2, 49.3.

7.4.2.Фундаментальные взаимодействия

См. ТАБЛИЦУ 1.1.

7.4.3.Античастицы

Каждой элементарной частице соответствует своя античастица. Античастица отличается от частицы только знаками зарядов (электрического, лептонного, барионного, странности и т. д.). Массы, спин и время жизни частицы и античастицы одинаковы.

Истинно нейтральная частица – частица, которая совпадает со своей античастицей.

ПРИМЕРЫ

Фотон γ, π0-мезон, η0-мезон

Аннигиляция – превращение пары частица-античастица в истинно нейтральные частицы. Обратный процесс – рождение пары.

Процессы аннигиляции и рождения пары происходят с соблюдением законов сохранения.

ПРИМЕР

Реакция аннигиляции электрона и позитрона e e 2γ .

7.4.4. Взаимодействие частиц. Фейнмановские диаграммы

Все процессы сводятся к испусканию, распространению и поглощению реальных и виртуальных частиц.

82 В этом параграфе содержится в том числе материал, изложенный в ПАРАГРАФЕ 0. В частности, ТАБЛ. 1.1 мы здесь второй раз не воспроизводим, но на «живой» лекции её, конечно, нужно записать ещё раз.