He что это в физике

He что это в физике

1. Перечислить несколько ядерных реакций, в которых может образоваться изотоп 8 Be.

2. Какую минимальную кинетическую энергию в лабораторной системе T_min должен иметь нейтрон, чтобы стала возможной реакция 16 O(n,α) 13 C?

3. Является ли реакция 6 Li(d,α) 4 He эндотермической или экзотермической? Даны удельные энергии связи ядер в МэВ: ε(d) = 1.11; ε() = 7.08; ε( 6 Li) = 5.33.

1. γ + 12 С → 11 С + n
2. γ + 12 С → 11 В + р
3. γ + 14 С → 12 С + n + n

5. Определить пороги реакций: 7 Li(p,α) 4 He и 7 Li(p,γ) 8 Be.

6. Определить, какую минимальную энергию должен иметь протон, чтобы стала возможной реакция p + d → p + p + n. Даны избытки масс. Δ( 1 H) = 7.289 МэВ, Δ( 2 H) = 13.136 МэВ,
Δ(n) = 8.071 МэВ.

1. α + 7 Li → 10 B + n;
2. α + 12 C → 14 N + d

под действием α-частиц с кинетической энергией T = 10 МэВ?

8. Идентифицировать частицу X и рассчитать энергии реакции Q в следующих случаях:

1. 35 Сl + X→ 32 S + α;	4. 23 Na + p→ 20 Ne + X;
2. 10 B + X→ 7 Li + α;	5. 23 Na + d→ 24 Mg + X;
3. 7 Li + X → 7 Be + n;	6. 23 Na + d→ 24 Na + X.

9. Какую минимальную энергию T_min должен иметь дейтрон, чтобы в результате неупругого рассеяния на ядре 10 B возбудить состояние с энергией E_возб = 1.75 МэВ?

10. Вычислить порог реакции: 14 N + α→ 17 О + p, в двух случаях, если налетающей частицей является:
1) α-частица,
2) ядро 14 N. Энергия реакции Q = 1.18 МэВ. Объяснить результат.

11. Рассчитать энергии и пороги следующих реакций:

1. d( p,γ) 3 He;	5. 32 S(γ,p ) 31 P;
2. d( d, 3 He )n;	6. 32 (γ,n ) 31 S;
3. 7 Li( p,n ) 7 Be;	7. 32 S(γ,α) 28 Si;
4. 3 He(α,γ) 7 Be;	8. 4 He(α,p) 7 Li;

12. Какие ядра могут образовываться в результате реакций под действием: 1) протонов с энергией 10 МэВ на мишени из 7 Li; 2) ядер 7 Li с энергией 10 МэВ на водородной мишени?

13. Ядро 7 LI захватывает медленный нейтрон и испускает γ-квант. Чему равна энергия γ-кванта?

14. Определить в лабораторной системе кинетическую энергию ядра 9 Ве, образующегося при пороговом значении энергии нейтрона в реакции 12 C(n,α) 9 Be.

15. При облучении мишени из натурального бора наблюдалось появление радиоактивных изотопов с периодами полураспада 20.4 мин и 0.024 с. Какие образовались изотопы? Какие реакции привели к образованию этих изотопов?

16. Мишень из натурального бора бомбардируется протонами. После окончания облучения детектор -частиц зарегистрировал активность 100 Бк. Через 40 мин активность образца снизилась до ~25 Бк. Каков источник активности? Какая ядерная реакция происходит?

17. α-Частица с кинетической энергией T = 10 МэВ испытывает упругое лобовое столкновение с ядром 12 С. Определить кинетическую энергию в л.с. ядра 12 C T_C после столкновения.

18. Определить максимальную и минимальную энергии ядер 7 Ве, образующихся в реакции
7 Li(p,n) 7 Be (Q = -1,65 МэВ) под действием ускоренных протонов с энергией T_p = 5 МэВ.

19. -Частицы, вылетающие под углом θ_неупр = 30 0 в результате реакции неупругого рассеяния с возбуждением состояния ядра 12 C с энергией E_возб = 4.44 МэВ, имеют такую же энергию в л.с., что и упруго рассеянные на том же ядре α-частицы под углом θ_упр = 45 0 . Определить энергию α-частиц, падающих на мишень .

20. α-Частицы с энергией T = 5 МэВ взаимодействуют с неподвижным ядром 7 Li. Определить величины импульсов в с.ц.и., образующихся в результате реакции 7 Li(α,n) 10 B нейтрона p_α и ядра 10 B p_Be.

21. С помощью реакции 32 S(α,p) 35 Cl исследуются низколежащие возбужденные состояния 35 Cl (1.219; 1.763; 2.646; 2.694; 3.003; 3.163 МэВ). Какие из этих состояний будут возбуждаться на пучке α-частиц с энергией 5.0 МэВ? Определить энергии протонов, наблюдаемых в этой реакции под углами 0 0 и 90 0 при Е =5.0 МэВ.

22. Используя импульсную диаграмму получить связь между углами в л.с. и с.ц.и.

23. Протон с кинетической энергией Т_a= 5 МэВ налетает на ядро 1 Н и упруго рассеивается на нем. Определить энергию T_B и угол рассеяния θ_B ядра отдачи 1 Н, если угол рассеяния протона θ_b = 30 0 .

24. Для получения нейтронов широко используется реакция t(d,n)α. Определить энергию нейтронов T_n, вылетающих под углом 90 0 в нейтронном генераторе, использующем дейтроны, ускоренные до энергии Т_d = 0.2 МэВ.

25. Для получения нейтронов используется реакция 7 Li(p,n) 7 Be. Энергия протонов T_p = 5 МэВ. Для эксперимента необходимы нейтроны с энергией T_n = 1.75 МэВ. Под каким углом θ_n относительно направления протонного пучка будут вылетать нейтроны с такой энергией? Какой будет разброс энергий нейтронов ΔT, если их выделять с помощью коллиматора размером 1 см, расположенного на расстоянии 10 см от мишени.

26. Определить орбитальный момент трития l_t, образующегося в реакции 27 Al(,t) 28 Si, если орбитальный момент налетающей α-частицы l_α = 0.

27. При каких относительных орбитальных моментах количества движения протона возможна ядерная реакция p + 7 Li → 8 Be * → α + α?

28. С какими орбитальными моментами l_p могут вылетать протоны в реакции 12 C(,p) 11 B, если: 1) конечное ядро образуется в основном состоянии, а поглотился Е2- фотон; 2) конечное ядро образуется в состоянии 1/2 + , а поглотился М1- фотон; 3) конечное ядро образуется в основном состоянии, а поглотился Е1- фотон?

29. В результате поглощения ядром -кванта вылетает нейтрон с орбитальным моментом l_n = 2. Определить мультипольность -кванта, если конечное ядро образуется в основном состоянии.

30. Ядро 12 C поглощает γ-квант, в результате чего вылетает протон с орбитальным моментом l = 1. Определить мультипольность поглощенного γ-кванта, если конечное ядро образуется в основном состоянии?

31. Определить орбитальный момент дейтрона l_d в реакции подхвата 15 N(n,d) 14 C, если орбитальный момент нейтрона l_n = 0.

33. Ядро 40 Cа поглощает Е1 γ-квант. Какие одночастичные переходы возможны?

34. Ядро 12 C поглощает Е1 γ-квант. Какие одночастичные переходы возможны ?

35. Можно ли в реакции неупругого рассеяния дейтронов на ядре 10 В возбудить состояние с характеристиками J P = 2 + , I = 1?

36. Вычислить сечение рассеяния -частицы с энергией 3 МэВ в кулоновском поле ядра 238 U в интервале углов от 150 0 до 170 0 .

37. Золотая пластинка толщиной d = 0.1 мм облучается пучком α-частиц с интенсивностью N₀ = 10 3 частиц/c. Кинетическая энергия -частиц T = 5 МэВ. Сколько α-частиц на единицу телесного угла падает в секунду на детектор, расположенный под углом = 170 0 ? Плотность золота ρ = 19.3 г/см 3 .

38. Коллимированный пучок α-частиц с энергией T = 10 МэВ падает перпендикулярно на медную фольгу толщиной δ = 1 мг/см 2 . Частицы, рассеянные под углом = 30, регистрируются детектором площадью S = 1см 2 , расположенным на расстоянии l = 20 см от мишени. Какая доля от полного числа рассеянных α-частиц будет зарегистрирована детектором?

39. При исследовании реакции 27 Al(p,d) 26 Al под действием протонов с энергией T_p = 62 МэВ в спектре дейтронов, измеренном под углом θ_d = 90 с помощью детектора с телесным углом
dΩ = 2·10 -4 ср, наблюдались пики с энергиями T_d = 45,3; 44,32; 40.91 МэВ. При суммарном заряде протонов q = 2.19 мКл, упавших на мишень толщиной δ = 5 мг/см 2 , количество отсчетов в этих пиках N составило 5180, 1100 и 4570 соответственно. Определить энергии уровней ядра 26 Al, возбуждение которых наблюдалось в этой реакции. Рассчитать дифференциальные сечения dσ/dΩ этих процессов.

40. Интегральное сечение реакции 32 S(γ,p) 31 P с образованием конечного ядра 31 P в основном состоянии при энергии падающих γ-квантов, равной 18 МэВ, составляет 4 мб. Оценить величину интегрального сечения обратной реакции 31 P(p,γ) 32 S, отвечающей той же энергии возбуждения ядра 32 S, что и в реакции 32 S(γ,p) 31 P. Учесть, что это возбуждение снимается за счет γ-перехода в основное состояние.

41. Рассчитать интенсивность пучка нейтронов J, которым облучали пластинку 55 Mn толщиной d = 0.1 см в течении t_акт = 15 мин, если спустя t_охл = 150 мин после окончания облучения ее активность I составила 2100 Бк. Период полураспада 56 Mn 2.58 ч, сечение активации σ = 0.48 б, плотность вещества пластины ρ = 7.42 г/см 3 .

42. Дифференциальное сечение реакции dσ/dΩ под углом 90 0 составляет 10 мб/ср. Рассчитать величину интегрального сечения, если угловая зависимость дифференциального сечения имеет вид 1+2sinθ.

43. Рассеяние медленных (T_n 1 кэВ) нейтронов на ядре изотропно. Как можно объяснить этот факт?

44. Определить энергию возбуждения составного ядра, образующегося при захвате α-частицы с энергией T = 7 МэВ неподвижным ядром 10 В.

45. В сечении реакции 27 Аl (α,р) 30 Si наблюдаются максимумы при энергиях α-частиц T 3.95; 4.84 и 6.57 МэВ. Определить энергии возбуждения составного ядра, соответствующие максимумам в сечении.

46. С каким орбитальным моментом могут рассеиваться протоны с Т_р = 2 МэВ на ядре 112 Sn?

47. Оценить сечение образования составного ядра при взаимодействии нейтронов с кинетической энергией T_n = 1 эВ с ядрами золота 197 Au.

48. Оценить сечение образования составного ядра при взаимодействии нейтронов с кинетической энергией T_n = 30 МэВ с ядрами золота 197 Au.

49. Сравнить полные сечения реакции для α-частиц с энергией 20 Мэв на ядрах 56 Fe и 197 Au.

50. Оценить сечение реакции 63 Cu(p,n) 63 Zn, если известны сечения реакций, идущих с образованием того же составного ядра с той же энергией возбуждения:
60 Ni(α,p) 63 Zn — 0.7 б; 63 Cu(p,pn) 62 Cu — 0.87 б; 60 Ni(α,pn) 62 Cu — 0.97 б.

51. Оценить нейтронную ширину Г_n изолированного уровня 0 + ядра 108 Rh (энергия уровня E₀ = 1.21 эВ, полная ширина Г = 0.21 эВ), если при резонансном поглощении нейтронов с образованием этого уровня составного ядра сечение поглощения для энергии нейтронов T_n = 1 эВ σ = 2700 б. Спин ядра-мишени I( 107 Rh) = 1/2.

52. Получить, исходя из модели оболочек, отношение сечений реакций подхвата 16 O(p,d) 15 O, с образованием конечного ядра 15 O в основном состоянии (J P =1/2 — ) и в состоянии (J P =3/2 — ).

53. Для реакции срыва 35 Cl(d,p) 36 Cl найти возможные значения орбитального момента l_n захваченного ядром нейтрона. Указать, исходя из простейшей оболочечной модели, какое из значений l_n реализуется, если ядро 36 Cl образуется в основном состоянии.

54. Оценить спин и четность состояния ядра 24 Mg с энергией 1.37 МэВ, если при возбуждении этого состоянии в реакции неупругого рассеяния α-частиц с энергией T = 40 Мэв, первый максимум в угловом распределении α-частиц наблюдается под углом 10 0 .

55. Найти угол , под которым должен быть максимум углового распределения протонов в реакции (d,p) на ядре 58 Ni, вызванной дейтронами с энергией T=15 МэВ, с образованием ядра 59 Ni в основном состоянии.

56. Показать, что в реакции неупругого рассеяния дейтронов на ядре 10 B, идущей за счёт сильного взаимодействия, невозможно возбуждение уровней этого ядра с изоспином I = 1.

Спектр нижних уровней ядра

57. Какие состояния из приведенного на рисунке спектра ядра могут возбуждаться в реакциях неупругого рассеяния (α,α’), (d,d’) и (p,p’)?

58. Оценить отношение сечений двух каналов реакции фоторасщепления ядра 16 O:

γ + 16 O → 15 N_gs + p, (а)
γ + 16 O → 15 N*(J P = 3/2 − ) + p. (б)

59. При изучении дифракционного рассеяния протонов с кинетической энергией Т = 20 ГэВ на ядрах свинца первый дифракционный минимум наблюдается при θ_min = 0.3 о . Оценить радиус ядра свинца.

60. Оценить радиус ядра меди, если известно, что при прохождении высокоэнергетичных нейтронов через пластинку меди толщиной 2 см поток нейтронов уменьшился в 1.1 раза. Размером нейтрона пренебречь. ρ(Cu) = 9 г/см 3 .

Ядерные реакции

На рисунке 6 . 8 . 1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6 . 8 . 1 . Схема развития цепной реакции.

Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1 . Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.

Освободившиеся при делении ядер урана- 235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0 , 7 % .

Изотоп U 92 238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана- 235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана- 235 составляет 50 к г . Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана- 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D 2 O . Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.

Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2 · 10 — 15 м , преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 10 8 — 10 9 К . Она слишком высокая.

Рисунок 6 . 8 . 4 . Модель ядерного реактора.

Рисунок 6 . 8 . 5 . Модель синтеза гелия.

Рисунок 6 . 8 . 6 . Модель ядерных превращений.

Урок физики по теме «Ядерные реакции». 11-й класс

Задачи урока: ознакомить учащихся с ядерными реакциями, с процессами изменения атомных ядер, превращением одних ядер в другие под действием микрочастиц. Подчеркнуть, что это отнюдь не химические реакции соединения и разъединения атомов элементов между собой, затрагивающие только электронные оболочки, а перестройка ядер как систем нуклонов, превращение одних химических элементов в другие.

Урок сопровождается презентацией в размере 21 слайда (Приложение).

Ход урока

Повторение

1. Каков состав атомных ядер?

ЯДРО (атомное)– это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10 –15 м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Их общее количество в ядре обозначают буквой А и называют массовым числом. Число протонов в ядре Z определяет электрический заряд ядра и совпадает с атомным номером элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Число нейтронов в ядре может быть определено как разность между массовым числом ядра и числом протонов в нем. Массовое число – это число нуклонов в ядре.

2. Как объяснить стабильность атомных ядер?

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – это мера взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Именно эти силы удерживают одноименно заряженные протоны в ядре, не давая им разлететься под действием электрических сил отталкивания.

3. Назовите свойства ядерных сил.

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств:

1. Ядерные силы на 2–3 порядка интенсивнее электромагнитных.
2. Ядерные силы имеют короткодействующий характер: радиус их действия R ~10 –15 м (т.е. совпадает по порядку величины с радиусом атомного ядра).
3. Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях ~10 –15 м, но на существенно меньших расстояниях между нуклонами переходят в силы отталкивания.

4. Что такое энергия связи ядра?

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА – это минимальная энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Разность между суммой масс нуклонов (протонов и нейтронов) и массой состоящего из них ядра, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, и есть энергия связи нуклонов в ядре. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

5. Почему масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него?

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение энергии ядра, что сопровождается уменьшением массы, т. е. масса ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих это ядро.

6. Что такое радиоактивность?

Изучение нового материала.

ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры A (a, b) B или А + а → В + b.

Что общего и в чем различие ядерной реакции и радиоактивного распада?

Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое.

Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается воздействием бомбардирующей частицы.

Виды ядерных реакций:

• через стадию образования составного ядра;
• прямая ядерная реакция (энергия больше 10 МэВ);
• под действием различных частиц: протонов, нейтронов, …;
• синтез ядер;
• деление ядер;
• с поглощением энергии и с выделением энергии.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:
14 ₇N + 4 ₂He → 17 ₈O + 1 ₁H

Условия протекания ядерных реакций

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).

Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
7 ₃Li + 1 ₁H → 4 ₂He + 4 ₂He

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.

Ускорители заряженных частиц (сообщение ученика)

Чтобы проникнуть в тайны микромира, человек изобрел микроскоп. Со временем выяснилось, что возможности оптических микроскопов весьма ограничены – они не позволяют «заглянуть» с глубь атомов. Для этих целей более подходящими оказались не световые лучи, а пучки заряженных частиц. Так, в знаменитых опытах Э.Резерфорда использовался поток α-частиц, испускаемых радиоактивным препаратами. Однако природные источники частиц (радиоактивные вещества) дают пучки очень малой интенсивности, энергия частиц оказывается относительно невысокой, к тому же эти источники неуправляемы. Поэтому возникла проблема создания искусственных источников ускоренных заряженных частиц. К ним относятся, в частности, электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов с энергиями порядка 10 5 эВ.

В начале 30-х годов 20-го столетия появились первые ускорители заряженных частиц. В этих установках заряженные частицы (электроны или протоны), двигаясь в вакууме под действием электрических и магнитных полей, приобретают большой запас энергии (ускоряются). Чем больше энергия частицы, тем меньше ее длина волны, поэтому такие частицы в большей степени подходят для «прощупывания» микрообъектов. В то же время с возрастанием энергии частицы расширяется число вызываемых ею взаимопревращений частиц, приводящих к рождению новых элементарных частиц. Следует иметь в виду, что проникновение в мир атомов и элементарных частиц обходится недешево. Чем выше конечная энергия ускоряемых частиц, тем более сложными и крупными оказываются ускорители; их размеры могут достигать нескольких километров. Существующие ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до сотен ГэВ. Интенсивность пучков частиц достигает 10 15 – 10 16 частиц в секунду; при этом пучок может быть сфокусирован на мишени площадью всего нескольких квадратных миллиметров. В качестве ускоряемых частиц чаще всего используются протоны и электроны.

Наиболее мощные и дорогостоящие ускорители строятся с чисто научными целями – чтобы получать и исследовать новые частицы, изучать взаимопревращения частиц. Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике – для лечения онкологических больных, для производства радиоактивных изотопов, для улучшения свойств полимерных материалов и для многих других целей.

Многообразие существующих типов ускорителей можно разбить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители, ускорители на встречных пучках.

Где находятся ускорители? В Дубне (Объединенный институт ядерных исследований) под руководством В.И.Векслера в 1957 году построен синхрофазотрон. В Серпухове – синхрофазотрон, длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; энергия протонов 76 ГэВ. В Новосибирске (институт ядерной физики) под руководством Г.И.Будкера введены в действие ускорители на встречных электрон-электронных и электрон-позитронных пучках (пучки по 700 МэВ и 7 ГэВ). В Европе (ЦЕРН, Швейцария – Франция) работают ускорители со встречными протонными пучками по 30 ГэВ и с протон-антипротонными пучками по 270 ГэВ. В настоящее время в ходе сооружения Большого адронного коллайдера (БАК) на границе Швейцарии и Франции завершен ключевой этап строительных работ – монтаж сверхпроводящих магнитов ускорителя элементарных частиц.

Коллайдер строится в туннеле с периметром 26650 метров на глубине около ста метров. Первые тестовые столкновения в коллайдере планировалось провести в ноябре 2007 года, однако происшедшая в ходе испытательных работ поломка одного из магнитов, приведет к некоторой задержке в графике ввода установки в строй. Большой адронный коллайдер предназначен для поиска и изучения элементарных частиц. После запуска БАК будет самым мощным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя своих ближайших конкурентов. Сооружение научного комплекса Большого адронного коллайдера ведется более 15 лет. В этой работе участвуют более 10 тысяч человек из 500 научных центров всего мира.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:
Q = (M_A + M_B – M_C – M_D)c 2 = ΔMc 2 , где M_A и M_B – массы исходных продуктов, M_C и M_D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Механизм ядерных реакций

Два этапа ядерной реакции:

• поглощение частицы ядром и образование возбужденного ядра. Энергия распределяется между всеми нуклонами ядра, на долю каждого из них при этом приходится энергия, меньшая удельной энергии связи, и они не могут проникнуть в ядро. Нуклоны обмениваются между собой энергией, и на одном из них или на группе нуклонов может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи и освобождения из ядра.
• испускание частицы ядром происходит подобно испарению молекулы с поверхности капли жидкости. Промежуток времени от момента поглощения ядром первичной частицы до момента испускания вторичной частицы составляет примерно 10 -12 с.

Законы сохранения при ядерных реакциях

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т.е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

1. Что такое ядерная реакция?
2. В чем отличие ядерной реакции от химической?
3. Почему образовавшиеся ядра гелия разлетаются в противоположные стороны?
   7 ₃Li + 1 ₁H → 4 ₂He + 4 ₂He
4. Является ли ядерной реакция испускания α –частицы ядром?
5. Допишите ядерные реакции:
   • 9 ₄Be + 1 ₁H → 10 ₅B + ?
   • 14 ₇N + ? → 14 ₆C + 1 ₁p
   • 14 ₇N + 4 ₂He → ? + 1 ₁H
   • 27 ₁₃Al + 4 ₂He → 30 ₁₅P + ? (1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри получили радиоактивный изотоп фосфора)
   • ? + 4 ₂He → 30 ₁₄Si + 1 ₁p
6. Определите энергетический выход ядерной реакции.
   14 ₇N + 4 ₂He → 17 ₈O + 1 ₁H
   Масса атома азота 14,003074 а.е.м., атома кислорода 16,999133а.е.м., атома гелия 4,002603 а.е.м., атома водорода 1,007825 а.е.м.

Самостоятельная работа

Вариант 1

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. алюминий ( 27 ₁₃Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
2. азот ( 14 ₇N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

3. Определите энергетический выход реакций:

Вариант 2

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. фосфор( 31 ₁₅Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
2. алюминий ( 27 ₁₃Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

3. Определите энергетический выход реакций:

После выполнения самостоятельной работы проводится самопроверка.

Домашнее задание: № 1235 – 1238. (А.П.Рымкевич)

He что это в физике

В то время когда в физике частиц происходило продвижение в сторону высоких энергий и открывались новые частицы, в состав которых входили все более массивные кварки, качественно изменилась ситуация и в «традиционной» ядерной физике. Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов существенно расширило число исследованных ядер. К концу XX века было открыто ~ 3000 атомных ядер. Всего в границах ядерной стабильности по существующим оценкам их может быть около 7000.
Наряду с хорошо известными модами распада атомных ядер — α, β, γ и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В 1962 году в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована протонная радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер вблизи границы протонной стабильности.
Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее 4 He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность наблюдалась в распаде

223 Ra 209 Pb + 14 C.

• Поиск новых сверхтяжелых ядер.
• Исследование свойств ядерной материи в экстремальных условиях — в области низкой температуры и низкой плотности ядерной материи и в области высокой температуры и высокой плотности ядерной материи. Состояния с высокой плотностью ядерной материи интенсивно исследуются в столкновениях релятивистских ядер. Ведутся исследования в области мультифрагментации и полного развала ядра на нейтроны и протоны.
• Исследование формы и свойств атомных ядер в супердеформированных состояниях и в состояниях с экстремально большими спинами.
• Исследование атомных ядер вдали от долины стабильности, вблизи от границ нейтронной и протонной стабильности.
• Изучение новых типов радиоактивного распада. Поиск новых долгоживущих изомерных состояний
• Открытым и требующим дальнейших исследований является вопрос о роли кварковых степеней свободы и их влияние на короткодействующую составляющую ядерных взаимодействий.
• Кварк-глюонная структура нуклона и изменение его свойств в ядерной материи.

В настоящее время методы сепарации и детектирования достигли такого совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период полураспада, основные моды распада — могут быть получены на основе анализа небольшого их числа.
Метод сепарации тяжелых ионов на лету позволяет получать моноизотопные пучки ускоренных ядер вплоть до урана. Появились новые экспериментальные методы для изучения свойств атомных ядер — комбинации ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный прогресс в исследовании ядер с необычным отношением N/Z — экзотических ядер — связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.

Экзотические ядра

До недавнего времени экспериментальные возможности для радиоактивных ядер ограничивались изучением таких их характеристик как масса, период полураспада, моды распада. Пучки радиоактивных ионов с энергиями от 1 МэВ/нуклон до 1 ГэВ/нуклон дают более детальную информацию об атомных ядрах. Изучение экзотических ядер дает сведения о ядрах, находящихся в экстремальных условиях. В таких ядрах меняется соотношение между кулоновским и ядерным взаимодействием, характерное для стабильных ядер, что приводит к появлению новых, необычных свойств. Оказалось, что в отличие от ядер, расположенных вблизи долины стабильности, в экзотических ядрах не совпадают зарядовое и массовое пространственные распределения. Были обнаружены гало-ядра, имеющие пространственное распределение ядерной материи, существенно превышающее обычные размеры атомных ядер R = 1.3A 1/3 .

Нейтронное гало — эффект, обусловленный наличием связанных состояний нейтронов, расположенных вблизи континуума. Малая величина энергии связи нейтрона (или группы нейтронов) и короткодействующий характер ядерных сил приводят к туннелированию нейтронов во внешнюю периферийную область на большие расстояния от кора ядра. При этом плотность распределения периферийных нейтронов существенно меньше плотности распределения нейтронов внутри кора. Нейтронное облако, окружающее кор простирается на гораздо большие расстояния, чем радиус ядра, определяемый соотношением R = 1.3A 1/3 . Так для гало-ядра 11 Li пространственное распределение двух нейтронов, образующих ядерное гало вокруг кора 9 Li, простирается столь далеко, что радиус ядра 11 Li оказывается сравним с радиусом 208 Pb.
Было обнаружено два типа гало-ядер (рис. 19). Первый тип гало-ядер связан с общим увеличением размера ядра. Это гало-ядра 11 Li, 11 Be, 14 Be, 17 B. Гало-ядра второго типа связаны с очень компактным кором ( 4 He). Это ядра 6 He и 8 He.
В области ядер N = 20 неожиданной оказалась нестабильность дважды магического ядра 28 O. Исследование распадных характеристик ядер вблизи 44 S дали первую информацию о существовании деформированных ядер с N = 28. Были получены ядра 45 Fe, 49 Ni с экстремальным отношением N/Z. Получено самое тяжелое дважды магическое самосопряженное ядро 100 Sn (Z = N = 50). Все это делает экзотические ядра предметом приоритетных исследований.
На рис.20 схематически показаны основные направления исследований с помощью радиоактивных пучков.

Основная цель исследований в области ядерной физики состоит в изучении природы взаимодействия системы конечного числа нуклонов, понимании того, как соотносятся силы взаимодействия между нуклонами с более фундаментальными взаимодействиями, как отличаются свойства и взаимодействия свободных нуклонов и нуклонов в ядерной среде. Одним из первых замечательных открытий было обнаружение некоторых регулярностей в поведении атомных ядер — магических чисел, получивших достаточно адекватное описание в модели оболочек. Другим открытием было обнаружение сил спаривания. Одним из проявлений сил спаривания является нулевое значение спина основного состояния у всех четно-четных ядер. Значительное расширение числа изотопов за счет ядер, удаленных от долины стабильности, позволяет не только более детально исследовать те явления, которые уже были обнаружены ранее, но и изучать новые явления в ядрах, находящихся в экстремальных условиях. Ядра, удаленные от долины стабильности, имеют другое среднее поле, обусловленное интерференцией кулоновского и ядерного взаимодействий

1. Какова область существования атомных ядер? С этой целью исследуются наиболее тяжелые из полученных в настоящее время сверхтяжелых ядер. Исследуются ядра вблизи границ энергий отделения протона B_p = 0 и нейтрона B_n = 0. Исследование атомных ядер вблизи этих границ позволяет ответить на вопрос — существуют ли компактные области устойчивых ядер вне этих границ и каковы возможные причины существования таких областей.
2. Существуют ли в области экзотических ядер те же самые магические числа, как и для ядер долины стабильности? Ответ на этот вопрос особенно важен, т.к. позволит получить дополнительную информацию о форме атомных ядер и, в частности, о супердеформированных ядрах в основном состоянии. До сих пор супердеформированые ядра были обнаружены лишь в возбужденных состояниях. Для экзотических ядер возможно появление новых магических чисел, обусловленное сильно деформированными состояниями.
3. Как меняются свойства атомных ядер в том случае, когда соотношение между числом нейтронов и протонов отличается от равновесных значений, характерных для ядер долины стабильности? В настоящее время твердо установлено существование нейтронного гало и нейтронного слоя у легких нейтроноизбыточных ядер

• Насколько это свойство расслоения протонной и нейтронной материи может проявиться в экзотических ядрах с сильно неравновесным отношением N/Z?
• Каково распределение масс и зарядов в экзотических ядрах?
• Меняется ли величина спин-орбитального взаимодействия с изменением величины N/Z?
• Существует ли состояние нейтронного гало в возбужденных состояниях ядер?
• Существуют ли эффекты кластеризации ядерных состояний в области малой нейтронной плотности?
• Какую форму имеют атомные ядра в областях с различными значениями N/Z?

1. Какие качественно новые явления ожидаются при распаде экзотических ядер? Если основными модами радиоактивного распада ядер вблизи долины -стабильности являются — и -распады и -переходы, то при приближении к границам нуклонной стабильности драматически меняется энергия Ферми для протонов и нейтронов. Вследствие этого появляются новые моды распада — испускание запаздывающих нейтронов, протонов, дейтронов, тритонов и испускание двух и трех нейтронов из возбужденных состояний ядер.
2. Как изменятся наши представления об эволюции Вселенной с появлением новой информации о свойствах экзотических ядер?

Сверхтяжелые ядра

Поиск сверхтяжелых ядер — одна из интереснейших задач современной ядерной физики. Область существования сверхтяжелых атомных ядер определяется спонтанным делением атомных ядер или -распадом. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z 2 /A 46 (примерно 112 элемент). Однако еще в 1966 году Майером и Святецким было предсказано существование острова повышенной стабильности сверхтяжелых атомных ядер. Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и соответственно увеличить время жизни ядра. Согласно современным представлениям следующее после Pb магическое по протонам ядро имеет Z = 110. Дважды магическое ядро согласно расчетам должно иметь большое время жизни, а около него должны группироваться ядра с достаточно высокими барьерами деления и соответственно достаточно большими временами жизни (остров стабильности). Пока все попытки выйти на остров стабильности не увенчались успехом. Однако поиск его продолжается.
Ядра с Z = 107-109 были открыты до 1986 года и получили названия: 107 — Bh (Borium), 108 — Hs (Hassium), 109 — Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги физиков Дубны (Г. Флеров, Ю. Оганесян) в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997 году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105 было присвоено имя Dubnium (Db).
Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была существенно повышена эффективность регистрации сверхтяжелых ядер и усовершенствована методика их наблюдения. Как результат были обнаружены изотопы 110, 111 и 112 элементов.
Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Флерова и в GSI (Дармштадт). На рис. 21 показаны самые тяжелые (Z > 106) изотопы, полученные в лабораторных условиях.

На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10 16 лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на 10-15 порядков. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z < 114 и N = 184 (T_1/2 = 10 15 лет). Для изотопа 298 114 период полураспада составляет около 10 лет.
В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна) синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция

Идентификация 114 элемента проводилась по цепочке -распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа 289 114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее выполненными расчетами. Большое время жизни этого ядра по-видимому связано с тем, что оно является магическим по числу протонов.

Кварк-глюонная плазма

По современным представлениям при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи может образовываться кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в естественных условиях кварк-глюонная плазма существовала в первые 10 -5 с после Большого взрыва (рис.22).

Условия для образования кварк-глюонной плазмы могут существовать и в центре нейтронных звезд. Численные оценки показывают, что переход в состояние кварк-глюонной плазмы происходит как фазовый переход 1-го рода при температуре ~ 200 МэВ. Экспериментальное наблюдение кварк-глюонной плазмы — одна из приоритетных задач современной ядерной физики. Наиболее перспективным методом получения кварк-глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Образующееся в области столкновения сжатие и нагрев могут оказаться достаточными для фазового перехода. Одна из основных проблем — идентификация состояния кварк-глюонной плазмы. Это может быть сделано по аномальному выходу нейтронных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц. Трудности идентификации связаны с тем, что, во- первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, во- вторых, длительность кварк-глюонной стадии эволюции ядерной системы составляет малую часть общего времени эволюции. На рис. 23 показана фазовая диаграмма, из которой видно, в области каких давлений и температур можно ожидать образования кварк-глюонной плазмы.

На рис. 22 продемонстрирована возможность ее наблюдения на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвене.
В начале 2000 года в CERN было официально объявлено о том, что новое состояние материи — кварк-глюонная плазма была получена в столкновениях ионов свинца с ионами свинца и золота. Полная энергия сталкивающихся ионов составила ~33 ТэВ (Для образования кварк-глюонной плазмы необходимо ~3.5 ТэВ). Плотность образовавшейся материи превышала плотность ядерной материи (ядерную плотность) приблизительно в 20 раз. В соответствии с предсказаниями теории в момент образования кварк-глюонной плазмы наблюдался повышенный выход странных мезонов, уменьшение выхода тяжелых -мезонов, увеличение выхода фотонов и лептон-антилептонных пар.