1
فیزیک هسته ای 2
2
فیزیک هسته ای 2
این یک درس تخصصی الزامی برای دانشجویان کارشناسی فیزیک هسته ای می باشد.
با گرفتن این درس، دانشجو با برخی از مفاهیم نظیر نیرو های هسته ای ، واکنشهای هسته ای و شکافت، و اسپین و پاریته حالتهای برانگیخته آشنا می شود.
پیشنیاز این درس، فیزیک هسته ای 1 می باشد.
3
رئوس مطالب
مقدمه
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
فصل سوم : شکافت هسته ای
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
4
مراجع
1- آشنایی با فیزیک هسته ای، کنت کرین، ترجمه ناصر میر فخرایی و مجید مدرس، مرکز نشر دانشگاهی، 1373
2- فیزیک جدید، کنت اس کرین، ترجمه رهبر، معلمى، مرکز نشر دانشگاهی، 1379 .
3- فیزیک نوین، هانس اهانیان – ترجمه پاشایی راد و معلمی، کتاب ماد، 1372.
5
مقدمه
اتم وهسته :
اتم از هسته ای تشکیل شده است، که تمام پروتون های با بار مثبت و نوترون های بدون بار در آن گرد هم آمده اند، و تعدادی الکترون با بار منفی، در مدارهایی حول آن می چرخند.
6
مقدمه
تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها برابر است واین تعداد، Z ، عدد اتمی یک عنصر خاص بوده و معرف آن عنصر است(این عدد مترادف با محل ان عنصر در جدول تناوبی است). تعداد نوترون ها در هسته با N نشان داده می شود و حاصل جمع نوترون ها و پروتون ها در هسته، عدد جرمی A ، نامیده می شود :
N + Z = A
واژه نوکلئون به تمام ذرات دورن هسته، اعم از پروتون یا نوترون، اطلاق می شود.
7
مقدمه
ایزوتوپ ها :
اتمهایی که دارای عدد اتمی ،Z ، یکسان ولی عدد نوترونی متفاوت Nمی باشند، ایزوتوپ های عنصر با عدد اتمی Zنامیده می شوند.
تمام عناصر دارای ایزوتوپ هستند، و در مواردی این تعداد به 20 یا بیشتر می رسد.
8
مقدمه
یکاهای فیزیک هسته ای :
یکای جرم عبارت از یکای جرم جهانی (U) است، که به صورت یک دوازدهم جرم یک اتم خنثی کربن 12 تعریف می شود.مقدار آن برابر است با :
9
مقدمه
جرم اتمی هر ایزوتوپ برابر است با جرم یک اتم از آن ایزوتوپ که بر حسب U بیان شده باشد.
جرمهای اتمی تعدادی از ایزوتوپ ها در جدول آورده شده است.
10
جرم های اتمی (u) بعضی از ایزوتوپها
11
مقدمه
جرم و بار پروتون، نوترون و الکترون در جدول درج شده است.
با توجه به این اطلاعات، واضح است که تقریباً تمام جرم یک اتم در هسته متمرکز است، و همچنین روشن است که جرم اتمی تقریباً با عدد جرمی برابر است.
12
جرم و بار پروتون ، نوترون و الکترون
13
مقدمه
بار الکتریکی پروتون و الکترون برابر و علامت آنها مخالف یکدیگر است.
مقدار این بار، که بار الکترونی معروف است، عبارت از
کولن است .
14
مقدمه
یکای انرژی، الکترون-ولت (eV) یا مگا الکترون-ولت (MeV) است. الکترون-ولت عبارت از افزایش انرژی ذره ای با بار یک الکترون به هنگامی است که اختلاف پتانسیل 1 ولت را طی می کند.رابطهء بین (ev)وژول عبارت است از:
1eV = 1.602 X10-19 J
15
مقدمه
کاستی جرم و انرژی بستگی :
کاستی جرم ، ،برای هر دسته را می توان به صورت زیر حساب کرد :
که در آن ، و جرمهای پروتون، نوترون و هسته مورد نظر هستند .
16
مقدمه
رابطه بین انرژی بستگی B ، بر حسب MeV ، وکاستی جرم، بر حسب U،به صورت زیر است:
انرژی بستگی=502/931 کاستی جرم
17
مقدمه
نیروهای هسته ای و ترازهای انرژی :
در این مرحله خوب است که به طور خیلی اجمالی اشاره ای به نیروهای موجود در بین نوکلئون های هسته اتم داشته باشیم. در مقیاس ماکروسکوپی، نیروی الکتروستاتیکی کولنی بین ذرات باردار به خوبی شناخته شده است، ودر مقیاس اتمی هم این نیرو در بین پروتون های داخل هسته، که همه دارای بار مثبت هستند، به صورت یک نیروی دافعه وجود دارد.
18
مقدمه
بنابراین، نیروی کولنی نیروئی است که سعی بر واپاشی یاشکستن هسته اتم دارد، و این واقعیت که هسته های ایزوتوپ های طبیعی پایدار هستند، نشان از وجود نیروی دیگری دارد که قوی تر از نیروی کولنی است و هسته را به صورت یک کل پا بر جا نگه می دارد.
19
مقدمه
واقعیت نیز همین است، و آزمایش وجود نیروی قدرتمند جاذبی را نشان می دهد که وقتی ذرات نزدیک به یکدیگر، حدود، باشند وارد عمل می شود.
این نیروی هسته ای کوتاه –برد، به شرطی که فاصله جدایی بین ذرات کمتر از فاصله فوق الذکر باشد، تقریباً با قدرت یکسان بین دو پروتون، دو نوترون، یا یک پروتون و یک نوترون، عمل می کند.
20
مقدمه
هسته های اتمی معمولاً در یک وضعیت پایدار ، موسوم به حالت انرژی پایه، به سر می برند. با این همه، در نتیجه واکنشهای هسته ای (که ممکن است در اثر بمباران اتم ها به وسیله پروتون ها، نوترون ها، با ذرات سبک دیگر پدید بیایند)، هسته ها می توانند در یک وضعیت ناپایدار یا برانگیخته قرار داشته باشند که در آن یک یا چند نوکلئون به حالت برانگیخته برده شده اند.
21
مقدمه
حالتهای برانگیخته در یک هسته شبیه حالتهای برانگیخته
ا تم ها هستند.
در مورد اخیر، برانگیختگی باعث می شود که یک الکترون از مدار اصلی اش به مدار دیگری که دورتر از هسته است بجهد و یک اتم ممکن است دارای چند حالت برانگیختهء گسسته باشد که متناظر با یک یا تعداد بیشتری از این گونه جهشها هستند .
22
مقدمه
در هسته وضعیت پیچیده تر است زیرا بر انگیختگی می تواند باعث می شود چند نوکلئون به طور همزمان به ترازهای برانگیخته بروند، وبعضی هسته ها می توانند دارای تعداد بسیار زیادی ترازهای برانگیخته نزدیک به هم باشند.
23
مقدمه
به طور کلی، در هسته های سبک ترازهای برانگیخته فاصله شان از هم بیشتر است، ودر تمام هسته ها فاصله ترازها با افزایش انرژی برانگیختگی کاهش می یابد.
بیشتر هسته ها فقط برای مدت خیلی کوتاهی در حالت برانگیخته به سر می برند، وعمر متوسط نوعی آنها حدود
ثانیه است.
24
مقدمه
هسته های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی انرژی-بالا، موسوم به تابش گاما، یا ذراتی مانند نوترون، یا هر دو، وا می پاشند.
در اغلب واکنشهای مورد توجه فیزیکدانان، که شامل تشکیل و واپاشی هسته های برانگیخته است، طول عمر هستهء برانگیخته آنقدر کوتاه است که فرایند تشکیل و واپاشی را می توان آنی تلقی کرد.
25
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
بعضی از خواص نیروی نوکلئون – نوکلئون عبارتند از:
1- این نیرو در فواصل کوتاه، قویتر از نیروی کولنی است.
2- این نیرو در فواصل بلند خیلی ضعیف می شود، به طوری که می توان از آن صرفنظر کرد.
26
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
3- بعضی از ذرات مانند الکترونها تحت تاثیر نیروی هسته ای قرار نمی گیرند.
4- نیروی نوکلئون-نوکلئون تقریبا مستقل از نوع نوکلئونهاست. این خاصیت را استقلال از بار می گویند.
5- نیروی نوکلئون-نوکلئون به جهت اسپین نوکلئونها بستگی دارد.
27
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
6- نیروی نوکلئون-نوکلئون شامل یک جمله دافعه است که نوکلئونها را در فاصله متوسط معینی از یکدیگر نگه می دارد.
7- نیروی نوکلئون-نوکلئون دارای مولفه تانسوری یا غیر مرکزی است که باعث ناپایستگی تکانه زاویه ای مداری می شود.
28
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
دوترون
دوترون ، ساده ترین سیستمی است که در آن می توان بر هم کنش نیروی قوی را مطالعه کرد.
این هسته از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است و ساده ترین حالت مقید نوکلئونهاست.
29
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
در این هسته، هیچ نوع حالت برانگیخته ای سراغ ندایم.
بستگی این دستگاه آن چنان ضعیف است که حالتهای برانگیخته آن فقط به صورت پروتون و نوترون آزاد در دستگاه نامقید ظاهر می شود.
30
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
انرژی بستگی دوترون
انرژی بستگی دوترون کمیتی است که با دقت زیادی اندازه گیری می شود و به سه روش قابل تعیین است:
1- روش طیف نمایی
2- روش اندازه گیری انرژی گامای گسیلی از واکنش
1H + n → 2H + γ
31
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
3- روش تجزیه فوتونی
γ + 2H → 1H + n
در هر سه روش، مقدار انرژی بستگی در حدود 224/2 MeV به دست می آید .
32
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
پتانسیل نوکلئون – نوکلئون را به صورت یک چاه مربعی سه بعدی نشان می دهیم.
معادله شعاعی برابر است با:
33
مدل گرافیکی برای حل معادله شرودینگر
34
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
که جرم کاهش یافته است.
از کوانتوم (1) داریم :
35
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
پارامترهای بکار رفته عبارتند از:
36
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
مقادیر عمق چاه پتانسیل و شعاع دوترون عبارتند از:
37
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
اسپین دوترون یک و پاریته آن زوج است.
بردارهای تکانه های زاویه ای نوترون و پروتون و تکانه زاویه ای مداری به چهار صورت می توانند با هم جمع شوند.
38
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
الف – Sn و Sp موازی و l = 0 .
ب – Sn و Sp پاد موازی و l = 1.
ج – Sn و Sp موازی و l = 1.
د – Sn و Sp موازی و l = 2 .
39
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
گشتاور دو قطبی مغناطیسی دوترون
گشتاور دو قطبی مغناطیسی کل حاصل ترکیب گشتاورهای مغناطیسی نوترون و پروتون است و مقدار آن برابر است با:
μ = 0.8574376 ± 0.0000004 μN
40
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
گشتاور چهار قطبی الکتریکی دوترون
نوترون و پروتون به طور جداگانه هیچ گونه گشتاور چهارقطبی الکتریکی ندارند.
هر مقدار غیر صفری که به دست آید باید ناشی از حرکت مداری تلقی شود.
گشتاور چهارقطبی مشاهده شده برابر است با:
Q = 0.00288 ± 0.00002 b
41
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
خواص نیروی هسته ای
1- برهم کنش بین دو نوکلئون از پایینترین مرتبه پتانسیل مرکزی جاذبه ای حاصل می شود.
2- برهم کنش نوکلئون – نوکلئون قویا وابسته به اسپین است.
3- پتانسیل بین نوکلئونی شامل یک جمله غیرمرکزی، به نام پتانسیل تانسوری است.
42
فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
4- نیروی نوکلئون – نوکلئون نسبت به بار نوکلئون تقارن دارد.
5- نیروی نوکلئون – نوکلئون تقریبا مستقل از بار الکتریکی است.
6- برهم کنش نوکلئون – نوکلئون در فواصل خیلی کوتاه دافعه می شود.
7- برهم کنش نوکلئون – نوکلئون می تواند به تکانه یا سرعت نسبی نوکلئونها هم بستگی داشته باشد.
43
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
هر گاه ذرات انرژی دار حاصل از یک راکتور یا شتاب دهنده به توده ای از ماده برخورد کند، این امکان وجود دارد که واکنش هسته ای صورت گیرد.
چنین واکنشی اولین بار با استفاده از ذرات آلفای حاصل از یک چشمه رادیوآکتیو در آزمایشگاه رادرفورد انجام گرفت.
44
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در این فصل انواع مختلف واکنشهای هسته ای و خواص آنها را مورد بحث قرار می دهیم.
در بیشتر حالات، با پرتابه های سبک، معمولا 4A ≤ ، سر وکار داریم که بر هدفهای سنگین فرود می آیند.
45
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
با این حال، واکنشهای جالب و جدیدی نیز مطرح می شوند که توسط یونهای سنگین شتابدار، معمولا 40 A ≤ به وجود می آیند.
واکنشها را به چند طریق می توان طبقه بندی نمود.
46
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
1- طبقه بندی واکنشها از لحاظ انرژی
الف-انرژی پایین : از مرتبه MeV 10 به ازای هر نوکلئون
ب- انرژی میانی : در گستره GeV1- MeV 100، تولید مزونی، تبدیل پروتونها و نوترونها به یکدیگر
ج- انرژی بالا : GeV1 < ، تولید انواع ذرات بنیادی، تغییر آرایش کوارکها
47
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
یک واکنش هسته ای معمولا به شکل زیر نوشته می شود:
X (a, b) Y
که در آن a پرتابه شتابدار، X هسته هدف (معمولا ساکن در آزمایشگاه)، و b و Y ، محصولات شکافت هستند.
48
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
عموما a و b را نوکلئونها یا هسته های سبک تشکیل می دهند.
معمولا Y محصول سنگینی است که در هدف متوقف می شود.
هرگاه b یک پرتو گاما باشد، واکنش را گیراندازی تابشی می نامند.
هرگاه a یک پرتو گاما باشد، واکنش را فوتونی هسته می نامند
49
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
2- طبقه بندی واکنشها از لحاظ نوع ذرات
الف- واکنش پراکندگی : ذرات فرودی و خروجی یکسان هستند، که در این صورت X و Y نیز هسته های یکسانند. خود واکنش پراکندگی به دو نوع تقسیم می شود:
پراکندگی کشسان : Y و b در حالتهای پایه خود قرار دارند.
پراکندگی ناکشسان: Y و b در حالتهای برانگیخته قرار دارند.
50
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ب- واکنش اخراجی : a و b ذراتی یکسان هستند، اما نوکلئون دیگری نیز جداگانه پرتاب می شود ( در حالت نهایی سه ذره وجود دارند).
ج – واکنش انتقالی : یک یا دو نوکلئون بین پرتابه و هدف مبادله می شود. مثلا دوترون ورودی به پروتون یا نوترون خروجی تبدیل می شود.
51
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
3- طبقه بندی واکنشها بر اساس سازوکار حاکم بر فرایند:
الف- واکنشهای مستقیم : تعداد خیلی کمی از نوکلئونها در واکنش شرکت دارند (در واقع واکنشهای انتقالی زیر گروه مهمی از این دسته هستند).
ب- واکنشهای هسته مرکب : هسته های ورودی و هدف موقتا در هم ادغام می شوند و تقسیم کامل انرژی انجام می شود.
52
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مشاهده پذیرها
تکنیکهایی هستند که می توان انرژی ذرات خروجی را با دقت زیاد اندازه گیری کرد و عبارتند از:
1- تعیین سطح مقطع جزئی و کلی
2- انجام آزمایشهای قطبش
3- آشکارسازی تابشهای گاما یا الکترونهای تبدیل و توزیع زاویه ای آنها.
53
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
قوانین پایستگی
در واکنشهای هسته ای این قوانین پایستگی کاربرد دارند:
1 – انرژی کل
2- تکانه خطی
3- تکانه زایه ای
4- عد پروتونی و عدد نوترونی
5- پاریته
54
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
انرژی واکنشهای هسته ای
طبق پایستگی انرژی نسبیتی کل، برای واکنش X (a, b) Y ، خواهیم داشت:
Mxc2 + Tx + mac2 + Ta = mYc2 + TY + mbc2 + Tb
55
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در رابطه فوق، Tها انرژیهای جنبشی و mها جرمهای سکون اند.
مقدار Q واکش برابر است با:
Q = (mx + ma – mY – mb) c2
= TY + Tb – TX – Ta
56
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مقدار Q ممکن است مثبت ، منفی یا صفر باشد.
Q>0 ، واکنش گرما زا است.
Q<0 ، واکنش گرما گیر است.
57
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای Q<0 ، یک مقدار کمینه برای Ta وجود دارد که کمتر از آن واکنش غیر ممکن است.
این انرژی آستانه برابر است با :
Tth = (-Q) [(mY + mb)/(mY + mb – ma)]
58
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
هرگاه واکنش به حالتهای برانگیخته Y منجر شود، معادله مقدار Q برابر است با:
Qex = Qo – Eex
که در آن Qo مربوط به حالت پایه است.
59
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
همانطور که اشاره شد که برای ایجاد هسته های جدید باید واکنش هسته ایی از نوع X(a,b) Y داشته باشیم که در آن a پرتابه، X هدف و b و Y هسته های تولید شده اند.
60
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
انتخاب پرتابه a و هدف X به نوع آزمایش بستگی دارد (به طور مثال امکان دارد a سنگینتر از X باشد)، و یا ممکن است واکنش از نوع a+x→ y باشد که Y هسته ای مرکب است.
61
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
به طور کلی انتخاب نوع واکنش به جرم هسته های پرتابه و هدف و نیز انرژی پرتابه بستگی دارد.
شکل بعدی خلاصه ای از طبقه بندی واکنشها را برحسب پارامتر برخورد (b) نشان می دهد.
62
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
63
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پارامترهای برخورد کوچک (bf) به تشکیل هسته مرکب یا همجوشی منجر می شود.
در پارامترهای برخورد متوسط (b Dic)، واکنشهای ناکشسان شدید (DIC) اتفاق می افتد.
64
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در پارامترهای برخورد بزرگتر (b gr)، واکنشهای
اصطلاحاً خراشان انجام می شود که منجر به واکنشهای شبه کشسان یا واکنشهای مستقیم می شود.
سرانجام پارامترهای برخورد خیلی بزرگ به برخوردهای کشسان یا برانگیختگیهای کولنی منجر می شوند.
65
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واکنشهای هسته ای در دستگاههای مرکز جرم و آزمایشگاه و رابطه بین انرژیها در دو دستگاه.
شکل سمت چپ در دستگاه مرکز جرم، و شکل سمت راست در دستگاه آزمایشگاه.
66
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
67
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مثال 1
مقدار Q واکنش زیر را به دست آورید
P + 7Li → 4He + 4He
و نوع واکنش از لحاظ گرمازا یا گرماگیر بودن را بیان کنید.
68
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
جواب
با توجه به جرمهای اتمی ، جرم کل اولیه ذرات برابر است با:
mi = 1.007825 u + 7.016003 u = 8.023828 u
و جرم کل نهایی برابر است با:
mf = 2(4.002602 u) = 8.005204 u
69
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مقدار Q واکنش برابر است با:
∆m = mi – mf = 8.023828 – 8.005204= 0.018624 u
Q = (∆m) c2 = 0.018624 x 931.5 = 17.35 MeV
چون Q>0، واکنش گرما زا است.
70
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ایزواسپین
استقلال از بار نیروهای هسته ای بدان معنی است که در اکثر حالات نیازی نداریم در فرمول بندی بین نوترونها و پروتونها تمایزی قائل شویم.
71
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
این امر موجب می شود که آنها را به صورت اعضای یک خانواده مشترک به نام نوکلئونها، گروه بندی کنیم.
اگر نیروی هسته ای قوی را به تنهایی در نظر گیریم، تقارن بین پروتونها و نوترونها معتبر باقی می ماند.
72
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
این واگنی دو حالتی به فرمول بندیی منجر می شود که قابل مقایسه با فرمول بندی بر هم کنش مغناطیسی یک ذره با اسپین 2/1 است.
نوترونها و پروتونها را به صورت دو حالت متفاوت از یک ذره منفرد، یعنی نوکلئون، در نظر می گیریم.
73
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
به هر نوکلئون یک بردار اسپین فرضی به نام ایزواسپین نسبت می دهیم.
در غیاب یک میدان مغناطیسی، دو حالت واگن هسته ای نوکلئون به صورت ایزواسپین بالا و ایزواسپین پایین هستند که به ترتیب آنها را به دلخواه به پروتون و نوترون نسبت می دهیم.
74
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
اگر عدد کوانتومی ایزواسپین یک نوکلئون به صورت t = 1 / 2 باشد، برای پروتون و نوترون به ترتیب خواهیم داشت:
mt = + 1/2
mt = -1/2
75
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای دستگاهی متشکل از چند نوکلئون، ایزواسپین از قواعد جفت شدگی مشابه با قواعد بردارهای تکانه زاویه ای معمولی پیروی می کند.
مثلا هر هر دستگاه دو نوکلئونی می تواند ایزواسپین کل T مساوی با صفر یا یک را دارا باشد.
76
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مولفه محور 3 بردار ایزواسپین کل برابر است با :
T3 = 1/2 (Z – N)
این حاصل جمع با یکای ħ بیان می شود که در اینجا آن را صریحا نشان نداده ایم.
77
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
به عنوان یک مثال، یک دستگاه دو نوکلئونی را در نظر می گیریم که در آن T می تواند صفر یا یک باشد.
بنابراین چهار مولفه محور 3 ممکن خواهند بود:
T3 = +1 (دو پروتون)،
T3 = -1 (دو نوترون)،
و دو ترکیب با T3 = 0 (یک پروتون و یک نوترون).
78
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در دو حالت اول باید T = 1 شود ، د رحالی که دو حالت بعدی می توانند به صورت T = 0 یا T = 1 مطرح باشند.
هرگاه بر هم کنش هسته ای کاملا مستقل از بار باشد و اگر از بر هم کنش الکترومغناطیسی صرفنظر شود،
79
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در این صورت سه تصویر محور 3 مربوط به T = 1 (1+ ، 0 ، 1- ) باید از انرژی یکسانی برخوردار باشند،
در حالی که حالت منفرد T = 0 ممکن است دارای انرژی متفاوتی باشد.
80
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مثال واضحی از انتساب ایزواسپین را می توان در هسته های 14 = A یافت.
شکل بعدی حالتهای برانگیخته
14C (T3 = -1)
14N ( T3 = 0)
14O (T3 = +1)
را نشان می دهد.
81
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
82
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
حالتهای پایه 14C و 14O نسبت به 14N ، به خاطر اختلاف جرم پروتون – نوترون و نیز انرژی کولنی جا به جا شده اند.
جا به جایی آنها به ترتیب 36/2 و 44/2 MeV است.
83
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ترازهای انرژی در 14C و 14O دارای T = 1 ، و ترازهای 14N دارای T = 0 اند،
بجز ترازهای با انرژیهای 31/2 و 06/8 MeV که در آنها T = 1 است.
84
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
اعضای یک چند تایه ایزواسپین ، مثلا زوج هسته های آینه ای یا مجموع سه حالتی که در شکل قبل با خط چین به هم وصل شده اند، حالتهای مانسته ایزوباری نام دارند.
حالتهای مانسته در هسته های متوسط و سنگین ممکن است در انرژیهای 10 MeV و بالاتر ظاهر شوند ، بنابراین در مطالعات واپاشی و واکنش انرژی پایین عموما سهمی نخواهند داشت.
85
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
سطح مقطع های واکنش
هرگاه جریان ذرات فرودی شامل Ia ذره در واحد زمان و هدف شامل N هسته هدف در واحد سطح باشد، و ذرات خروجی نیز با آهنگ Rb ظاهر شوند، در این صورت سطح مقطع واکنش عبارت است از :
σ = Rb / IaN
86
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای گیراندازی نوترون به وسیله 135Xe ، سطح مقطع در حدود b 106 است .
در حالیکه برای واکنشهای دیگری که احتمال وقوع کمتری دارند ، سطح مقطع ممکن است بر حسب میلی بارن یا میکروبارن باشد.
87
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
روشهای تجربی
مطالعه یک واکنش هسته ای نیاز به باریکه ذرات، هدف، و دستگاه آشکارسازی دارد.
با انواع مخلف شتاب دهنده ها می توان باریکه ذرات باردار را تولید کرد.
به کمک راکتورهای هسته ای می توان به باریکه نوترونی دسترسی یافت.
88
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای انجام طیف نمایی دقیق ذره خروجی b و هسته باقیمانده Y ، تهیه باریکه باید بر اساس ضوابط زیر باشد:
1- باریکه باید به شدت کانونی و موازی شده باشد.
2- باریکه باید انرژی کاملا معینی داشته باشد
89
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
3- باریکه باید شدت زیادی داشته باشد، تا بتوان آمار مورد نیاز برای آزمایشهای دقیق را جمع آوری کرد.
4- برای اندازه گیریهای زمانی، باریکه باید به صورت تپ تیز در آید.
5- باریکه شتاب دهنده باید به آسانی قابل گزینش باشد.
90
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
6- شدت باریکه تابشی باید تقریبا ثابت و به آسانی قابل اندازه گیری باشد.
7- بستگی به نوع آزمایش، باریکه ممکن است قطبیده باشد.
8- باریکه باید از طریق کانالهای خلا کامل به ناحیه هدف انتقال یابد.
91
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
هدفها ممکن است بر طبق اهداف آزمایش بسیار متنوع باشند.
برای اندازه گیری بهره یک واکنش، هدف باید ضخیم باشد.
از طرف دیگر، برای مشاهده ذراتی که تحت تاثیر بر هم کنش در هدف قرار نگرفته اند، هدف باید بسیار نازک باشد.
92
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در آشکارسازی مکن است از یکی از آشکارسازهای زیر یا ترکیبی از آنها استفاده شود.
الف) آشکارسازهای سوسوزن که به شکل کره برای آشکارسازی همه پرتوهای گامای گسیلی در واکنش بکار می روند.
ب) آرایه های آشکارسازی ذرات باردار سبک نظیر پرتونها و ذرات آلفا که بیشتر از جنس سیلیکون است.
93
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ج) آشکارسازهای نوترونی، که حاوی مقادیر زیادی از ترکیبات هیدروژنی است.
د) آشکارسازهای جداکننده هسته های پس زده .
94
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پراکندگی کولنی
از آنجا که هسته دارای توزیع بار الکتریکی است، از طریق پراکندگی الکتریکی (کولنی) باریکه ذرات باردار می توان به مطالعه آن پرداخت.
پراکندگی کولنی کشسان، پراکندگی رادرفورد نام دارد.
پراکندگی کولنی ناکشسان، برانگیختگی کولنی نام دارد.
95
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پراکندگی هسته ای
پراکندگی هسته ای کشسان ذرات با مساله معروف پراش نور توسط قرص کدر در اپتیک تشابه زیادی دارد.
یکی از نتایج مطالعات پراکندگی کشسان نوکلئون تعیین شعتع هسته ای است.
96
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پراکندگی هسته ای ناکشسان، مثل پراکندگی کولنی ناکشسان، هنگامی نتیجه می شود که هسته هدف از پرتابه انرژی بگیرد و به حالتهای برانگیخته برود.
با اندازه گیری توزیع زاویه ای پرتابه های پراکنده شده ، می توان اطلاعاتی در باره اسپین و پاریته حالتهای برانگیخته به دست آورد.
97
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واکنشهای هسته مرکب
در واکنش هسته مرکب، پرتابه ای با انرژی کمتر از 10 با هدفی برخورد و دستگاه مرکب چرخشی داغی تولید می کنند که در آن انرژی فرودی بطور کاتوره ای بین تمام نوکلئونهای دستگاه توزیع می شود.
98
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
طول عمر یک هسته مرکب معمولاً 19–10 تا 16–10 ثانیه قرار دارد که در مقایسه با زمان 21- 10 ثانیه برای واکنشهای مستقیم خیلی طولانیتر است.
همین مقدار زمان برای رسیدن دستگاه به تعادل ترمودینامیکی پیش از واپاشی, کافی است .
99
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
چون هسته های مرکب با انرژیهای برانگیزش قابل ملاحظه ای تشکیل می شود, همواره تبخیر چند ذره (نوکلئون) پیش از گسیل پرتوهای گاما صورت می گیرد.
برای هسته های سنگینتر, وجود سد کولنی مانع تبخیر ذرات باردار می شود.
در نتیجه خروج ذرات بدون بار نظیر نوترونها برتری دارد.
100
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
با تشکیل هسته های مرکبی دارای کمبود نوترون, انرژی بستگی نوترونها بیشتر می شود حال آنکه انرژی بستگی پروتونها کاهش می یابد تا جائیکه سرانجام گسیل ذرات باردار (نظیر پروتونها و ذرات آلفا) برتری می یابد.
101
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
تبخیر ذرات از هسته مرکب سبب کاهش قابل ملاحظه انرژی برانگیزش هسته باقیمانده می شود, در حالیکه تکانه زاویه ای هسته باقیمانده همچنان زیاد است.
سرانجام هسته باقیمانده, با گسیل پرتوهای گاما, بقیه انرژی برانگیزش و تکانه زاویه ای را از دست می دهد تا در پایان به حالت پایه برسد.
102
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
چون تکانه زاویه ای اولیه خیلی بزرگ است, گسیل گاما بطور معمول از اسپینهای بالا به صورت آبشاری (پلکانی) روی می دهد و مطالعه هسته ها را در اسپینهای بزرگ امکان پذیر می رساند.
103
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای ایجاد واکنش همجوشی، باید کمینه انرژی جنبشی پرتابه برابر انرژی دافعه کولنی باشد. مقدار تقریبی انرژی سدکولنی برابر است با:
104
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
یک واکنش هسته مرکب به طور نمادی به صورت زیر نوشته می شود:
a + X → C* → Y + b
که C* معرف هسته مرکب است.
شکل بعد انواع مختلف واکنشهای هسته ای را که بستگی به پارامتر برخورد (b) دارد نشان می دهد.
105
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
106
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
با نوشتن واکنش به این شکل می توان فرض کرد که واکنش انجام شده از طریق هسته مرکب یک فرایند دو مرحله ای، شامل تشکیل هسته مرکب و واپاشی آن است.
هر هسته مرکب ممکن است به طرق مختلفی واپاشیده شود.
107
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
به عنوان مثال، هسته مرکب 64Zn* را در نظر می گیریم.
این هسته می تواند از طریق چند واکنش مختلف، از جمله p + 63Cu ، و
α + 60Ni
تشکیل شود.
108
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ضمنا می تواند به طرق مختلفی نظیر
63Zn + n
62Zn + 2n
62Cu + p + n
واپاشیده شود.
109
یک واکنش هسته ای
110
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ویژگیهای هسته مرکب:
1- احتمال واپاشی به هر مجموعه خاصی از مصولات نهایی مستقل از طرز تشکیل هسته مرکب است.
2- هسته مرکب فرایند تشکیل خود را فراموش می کند و واپاشی آن بر اساس قواعد آماری است.
3- توزیع زاویه ای محصولات خروجی تقریبا همسانگرد است.
4- زمان واکنش خیلی کوتاه از مرتبه 16-10 تا 18-10 ثانیه است.
111
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واکنشهای مستقیم
در این نوع واکنش، هسته ها آنچنان به یکدیگر نزدیک می شوند که ذره تابشی عمدتا درسطح هسته هدف بر هم کنش انجام می دهد.
چنین واکنشهایی را فرایندهای پیرامونی نیز می نامند.
112
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پراکندگی ناکشسان می تواند از طریق فرایند مستقیم یا هسته مرکب انجام شود که نوع آن عمدتا به انرژی ذره تابشی وابسته است.
واکنش بر کنی دوترون (d, n ) مثالی از یک واکنش انتقالی است که در آن یک پروتون منفرد از پرتابه به هدف منتقل می شود، و این فرایند نیز ممکن است توسط هر دو سازوکار انجام شود.
113
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واکنش دیگر برکنی دوترون، یعنی (d, p )، ممکن است با احتمال زیاد توسط فرایند مستقیم انجام شود.
زیرا تبخیر پروتون از هسته مرکب به خاطر سد کولنی با مانع روبه رو است.
114
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
احتمال اینکه واکنش ( nو α) از طریق فرایند مستقیم انجام شود خیلی کم است،
زیرا این فرایند مستلزم یک انتقال منفرد سه نوکلئون به حالتهای ظرفیت هدف است که بی اندازه غیر محتمل خواهد بود.
115
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
یکی از کاربردهای مخصوصا مهم واکنشهای انتقالی ذره منفرد بخصوص (d, p ) و (d, n ) را مطالعه حالتهای برانگیخته مدل پوسته ای با انرژی پایین تشکیل می دهد.
با استفاده از انرژی نوکلئون خروجی می توان یک حالت برانگیخته بخصوص را انتخاب کرد.
116
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
برای تعیین مشخصات حالت مدل پوسته ای، به توزیع زاویه ای ذرات گسیل شده نیاز داریم که غالبا اسپین و پاریته حالتی را که از یک واکنش مخصوص حاصل می شود به دست می دهد.
واکنشهای قاپ زنی (p, d ) که در آن نوکلئونی از هدف جذب پرتابه می شود نیز می توانند اطلاعاتی را در باره حالتهای ذره منفرد به دست دهند.
117
فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ویژگیهای واکنشهای مستقیم:
1- فرایندهای مستقیم خیلی تند و از زمانی از مرتبه خیلی کوتاه 22-10 ثانیه روی می دهند.
2- توزیع زاویه ای ذرات خروجی نسبت به واکنشهای هسته مرکب قله تیزتری دارند.
3- فرایندهای مستقیم با بیشترین احتمال با یک یا چند نوکلئون ظرفیت نزدیک به سطح هسته هدف انجام می شوند.
118
فصل سوم : شکافت هسته ای
شکافت هسته ای : کشف و چگونگی آن
پس از آنکه ژولیو و کوری نشان دادند بعضی از محصولات واکنشهای هسته ای رادیو اکتیواند ، فرمی و همکاران اودر ایتالیا مطالعه ای سازمان یافته را درباره واکنشهای هسته ای که با نوترون القا می شوند، به عمل آوردند.
یکی از اهداف این تحقیق تولید نوکلئیدهای جدید بود.
119
فصل سوم : شکافت هسته ای
در طی 5 سال بعد آزمایشهای متعددی درباره بمباران نوترونی اورانیم به عمل آمد.
برای تابش حاصل از هدف، نیم عمرهای رادیواکتیو بسیارمتفاوتی یافته شد، لیکن تلاش برای تشخیص عناصر خاصی که این نیم عمرها را داشته باشد منجر به اغتشاش بزرگی گردید.
120
فصل سوم : شکافت هسته ای
دلیل اغتشاش مذکور در اوایل سال 1939 به وسیله دو فیزیکدان آلمانی اتوهان و فریتز اشتراسمان یافته شد.آنان آشکارا نشان دادند که یکی از عناصر ماورای اورانیم فرضی در واقع ایزوتوپی از باریم است، و این امر از روی نیم عمر 86 دقیقه ای و رفتار شیمیایی آن معلوم شد.
نوکلئید دیگری از بمباران نوترونی اورانیم به دست می آمد که معلوم شد لانتان با نیم عمر 40 ساعت است.
121
فصل سوم : شکافت هسته ای
تولید نوکلئیدهای و از اورانیم، نوکلئیدی با عدد اتمی 92 و عدد جرمی تقریباً 240 ، مستلزم نوعی واکنش هسته ای ناشناخته بود، واکنشی که در جریان آن هسته سنگین به دو نیم شکافته می شود.
چنین چیزی قبلاً شناخته نشده بود.
122
فصل سوم : شکافت هسته ای
با توجه به شواهد شیمیایی آشکاربود که هسته اورانیم، وقتی با نوترون بمباران می شود به دو هسته با جرم اتمی متوسط شکافته می شود.
اسلایدهای بعد نمودارهای طرح گونه ای هستند که شکافت اورانیوم را نشان می دهند.
123
فصل سوم : شکافت هسته ای
124
شکافت اورانیوم-235
125
فصل سوم : شکافت هسته ای
گامی را که هان و اشتراسمان از برداشتن آن ابا داشتند، در 19 ژانویه سال 1939 به وسیله دو فیزیکدان اتریشی، لیزه میتنر و اتو.آر.فریش برداشته شد.
نظر ایشان چنین بود که نوترون، فروپاشی هسته اورانیم به «دو هسته تقریباً برابر» را تحریک و تسریع می کند.
آنان این فرایند را در مقایسه با تقسیم یا شکافته شدن یک سلول زنده به دو جزء، «شکافت هسته» نامیدند.
126
فصل سوم : شکافت هسته ای
فرآیند شکافت هسته ای را می توان توسط مدل قطره ای تفسیر نموده و شرح داد.
نوترون به هسته اورانیوم-235 نزدیک و توسط این هسته جذب و تشکیل هسته اورانیوم-236 را می دهد.
در ادامه، بعد از گذشت مدت زمانی تقریباً برابر با ثانیه، زمان واپاشی هسته فرا می رسد.
127
128
129
130
131
132
فصل سوم : شکافت هسته ای
این فرایند ممکن است به دو صورت دنبال شود: یا انرژی اضافی بصورت تشعشعات گاما خارج شده و هسته به وضعیت پایدار انتقال یابد،
و یا انرژی اضافی موجب تغییر شکل هسته و کشش بیش از حد آن (که احتمال ان 6 برابر بیشتر از حالت قبل است) می شود.
133
فصل سوم : شکافت هسته ای
بخش هایی از هسته به حرکت نوسانی سوق داده شده و نهایتاً افزایش نیروهای دفع کولنی بر نیروهای جذب هسته ای، موجب متلاشی شدن هسته و تقسیم آن به دو هسته جدید که به آنها پاره های شکافت (محصولات شکافت) می گویند، می شود.
134
فصل سوم : شکافت هسته ای
این پاره های شکافت که یکی سبک و دیگری سنگین می باشند، در حقیقت هسته نوکلیدهای جدیدی هستند که در میانه جدول تناوبی عناصر قرار دارند.
پاره های شکافت دارای سرعت زیادی هستند و بخش عمده ای از انرژی آزاد شده در اثر شکافت هسته ای (80%) به صورت انرژی جنبشی در این پاره های شکافت ظاهر می شود .
135
فصل سوم : شکافت هسته ای
بخشی از انرژی ایکه در فرایند شکافت تولید می شود، به شکل انرژی برانگیختگی به هسته پاره های شکافت منتقل می شود.
انرژی برانگیختگی هر کدام از این هسته های ایجاد شده خیلی بیشتر از انرژی بستگی نوترون ها در این هسته هاست، به همین دلیل در هنگام تبدیل به وضعیت پایدار، یک و یا چند نوترون و در ادامه پرتوهای گاما منتشر می کنند.
136
فصل سوم : شکافت هسته ای
فراورده های شکافت عبارت اند از دو پاره شکافت که اعداد جرمی آنها بین 70 تا 160 متغیر است، بین صفر تا پنج نوترون، ذرات بتا، تابش گاما، و نوترینو.
هویت دقیق فراورده های شکافت وتعداد نوترون ها از یک رویداد شکافت به رویداد دیگر فرق می کند .
137
فصل سوم : شکافت هسته ای
به عنوان مثال ، واکنش زیر یک شکافت نوعی است:
138
فصل سوم : شکافت هسته ای
ملاحظه می شود که جرمهای دو فرآورده شکافت، در این مثال، لانتانم و برم برابر نیستند و شکافت نامتقارن مانند این خیلی محتمل تر از شکافتی است که در آن دو جرم مساوی باشند.
طیف فراورده های شکافت در نمودار بعد است، و به سادگی ملاحظه می شود که اعداد جرمی همه فرآورده های شکافت بین 76 و 160 قرار دارند.
139
140
فصل سوم : شکافت هسته ای
همچنین تعداد نوترون های گسیل شده به ازای هر شکافت، از یک رویداد به رویداد دیگر فرق می کند، و به ایزوتوپی که دستخوش شکافت می شود و همچنین انرژی نوترون فرودی بستگی دارد.
تعداد متوسط نوترون هایی که به ازای هر شکافت گسیل می شوند، ، یکی از مهمترین پارامترها در مهندسی راکتور است.
141
فصل سوم : شکافت هسته ای
تغییرات بر حسب انرژی تقریباً به صورت زیر است:
مقادیر آن برای بعضی از ایزوتوپها در جدول بعد نشان داده است.
142
فصل سوم : شکافت هسته ای
143
فصل سوم : شکافت هسته ای
نوترون های شکافت با انرژیهای گوناگونی گسیل می شوند که می توان آنها را با یک توزیع پیوسته یا طیف انرژی شکافت توصیف کرد.
اگر S(E)d(E) تعداد نسبی نوترون های شکافت باانرژی بین E + dE, E باشد، عبارت عموماً پذیرفته شده S(E) عبارت است از :
144
فصل سوم : شکافت هسته ای
توجه کنید که عبارت بالا برای S(E) بهنجار شده است به طوری که
145
طیف انرژی نوترون شکافت
146
فصل سوم : شکافت هسته ای
متوسط انرژی نوترونهای شکافت از معادله
به دست می آید وبرابر 1.93(MeV)است، اما معمولاً برابر MeV2 فرض می شود.
147
فصل سوم : شکافت هسته ای
سطح مقطع های شکافت القایی نوترون در اورانیوم 235 و 236.
طیف انرژی نوترونهای گسیل شده از شکافت اورانیوم-235 بر ا ثر نوترونهای گرمایی.
148
149
150
فصل سوم : شکافت هسته ای
سطح مقطع های شکافت با استفاده از نوترون گرمایی.
انرژی های فعالسازی محاسبه شده نیز در ستون سمت راست نشان داده شده است.
151
152
فصل سوم : شکافت هسته ای
واکنش زنجیره ای و کنترل آن به وسیله راکتور
این حقیقت که در شکافت ایوتوپهایی مانند با نوترون به طور متوسط در هر شکافت بیش از یک نوترون گسیل می شود به امکان وقوع واکنش زنجیره ای در جرمی از ماده شکافت پذیر منجر می شود.
ثابت ماندن، زیاد شدن یا کم شدن واکنش زنجیره ای بستگی دارد به تولید نوترونها.
153
فصل سوم : شکافت هسته ای
سیستمی که در آن مواد شکافت پذیر و شکافت ناپذیر طوری ترتیب یافته باشند که واکنش زنجیره ای بتواند به گونه کنترل شده ای پیش رود راکتور هسته ای نامیده می شود.
در مقابل بمب اتمی چنان طرح شده است که در آن تولید واکنش زنجیره ای تا حد انفجار افزایش می یابد.
154
فصل سوم : شکافت هسته ای
فرمى و زیلارد نخستین کسانى بودند که توانستند یک واکنش زنجیره اى کامل را در یک راکتورهسته اى انجام دهند.
آنها در دهه ۱۹۴۰ که بر روى پروژه ساخت بمب هسته اى براى ایالات متحده (منهتن) کار مى کردند، در دانشگاه شیکاگو و در آزمایشگاه شان این کار را انجام دادند.
155
فصل سوم : شکافت هسته ای
در قسمت مرکزی هر راکتور هسته ای محفظه ای وجوددارد که ماده شکافت پذیر (سوخت) در درون آن جای می گیرد.
به دلیل رخداد واکنشهای زنجیره ای منظم و مداوم این ماده در درون محفظه، انرژی تولید می شود .
156
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتورها داراى کاربردهاى کاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آمیز با بهره گیرى از حرارت تولیدى در شکافت هسته اى کار مى کنند.
این حرارت جهت گرم کردن آب، تبدیل آن به بخار و استفاده از بخار براى حرکت توربین ها بهره گرفته مى شود.
157
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتورهای هسته ای در کل از دو نوع شکافتی و همجوشی تشکیل شده اند و خود اینها با توجه به شرایط حاکم و اهداف مورد نظر به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که دراینجا به توصیف آنها خواهیم پرداخت.
158
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتور هسته ای منبعی است برای محصولات فرایندشکافت، یعنی انرژی، نوترون، و ایزوتوپهای پرتوزا.
در هر شکافتی که دریک اتم از ماده شکافت پذیر با عدد جرمی 235 رخ می دهد، MeV200 انرژی آزاد
می شود .
159
فصل سوم : شکافت هسته ای
یک راکتور می تواندبه عنوان چشمه ای از نوترون، در واحد زمان تعداد زیادی نوترون در گستره وسیعی از انرژییها به وجود آورد .
از نوترون گسیل شده در هر شکافت، تنها یک نوترون برای ایجاد شکافت دیگر و حفظ واکنش زنجیره ای در آهنگی یکنواخت، لازم خواهد بود.
160
فصل سوم : شکافت هسته ای
بنابراین در هر شکافت تعداد (1- ) نوترون برای سایر مقاصد باقی می ماند، این مقاصد همیشه در طرح راکتور در نظر گرفته می شوند.
برای آنکه واکنش زنجیری در یک نمونهء اورانیم با سرعتی یکنواخت ادامه یابد، باید توازن مناسبی بین تولید خالص نوترونهای حاصل از عمل شکافت واز دست رفتن نوترونها در جریان سه فرایند زیر وجود داشته باشد :
161
فصل سوم : شکافت هسته ای
1- گیرافتادن نوترون به وسیله اورانیم بدون حصول شکافت
2- گیر افتادن نوترون به وسیله دیگر مواد موجود در نمونه یا دستگاهی که نمونه را در بردارد
3- فرار نوترون از نمونه بدون گیر افتادن
162
فصل سوم : شکافت هسته ای
ضریب تکثیر موثر Ke تعیین خواهد کرد که واکنش زنجیره ای با آهنگی یکنواخت، افزاینده، یا کاهنده ادامه خواهد یافت.
ضریب تکثیر موثر بنا به تعریف عبارت است از نسبت آهنگ تولید نوترونها P به مجموع آهنگ جذب A و آهنگ نشت L نوترونها، یا
163
فصل سوم : شکافت هسته ای
هنگامی که باشد، واکنش زنجیره ای شکافت بحرانی یا یکنواخت خواهد بود وهنگامی که باشد، واکنش زنجیره ای افزاینده یا ابر بحرانی و به هنگامی که باشد، واکنش میرا یا زیر بحرانی خواهد بود.
164
فصل سوم : شکافت هسته ای
اورانیوم غنی سازی شده :
برای بعضی از انواع راکتورها دستیابی به شرایط بحرانی مستلزم کاربرد اورانیم غنی شده است.
مهم ترین مثال، راکتور آب تحت فشار است که به اورانیم غنی شده با 2 تا 3 درصد نیاز دارد.
165
فصل سوم : شکافت هسته ای
فرایند غنی سازی اورانیم شامل جدا سازی نسبی و است تا غلظت در محصول بیش از غلظت آن در اورانیم طبیعی بشود.
در مقیاس تجارتی، دو فرایند برای غنی سازی اورانیم وجود دارد.
166
فصل سوم : شکافت هسته ای
در هر دوی این فرایندها اورانیم طبیعی به ترکیب گازی هگزافلورید اورانیم ، تبدیل می شود و دو ایزوتوپ طبیعی اورانیم دو گاز تولید می کنند که جرم مولکولی آنها کمی با هم فرق دارد.
167
فصل سوم : شکافت هسته ای
انواع راکتورها :
اولین و شاید مهمترین رده بندی اصلی آن است که به چه منظوری راکتور مورد استفاده قرار می گیرد.
تقریباًً می توان سه گروه را تعریف کرد:
1- راکتور تولید قدرت،
2- راکتور تحقیقاتی، و
3- راکتور تبدیل.
168
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتورهای قدرت:
این راکتورها برای استخراج انرژی جنبشی شکافت-پاره ها که به صورت گرما ظاهر می شود طرح ریزی شده اند و در آنها انرژی گرمایی به صورت انرژی الکتریکی در می آید.
مثلا این عمل از طریق جوشاندن آب و هدایت بخار حاصل به طرف توربین و گردش آن صورت می گیرد.
169
فصل سوم : شکافت هسته ای
بنابراین در طراحی راکتورهای قدرت به جزئیات ترمودینامیکی بازده ماشینهای گرمایی به همان اندازه باید توجه کرد که به مسائل مهندسی هسته ای آن.
هزینه مجتمع سوخت کسر نسبتاً کوچکی از هزینه یک راکتورقدرت را تشکیل می دهد، زیرا اکثر هزینه های راکتور به حفاظ و محفظه نگهداری و وسایل تولید الکتریسیته مربوط می شود.
170
فصل سوم : شکافت هسته ای
بنابراین ساخت راکتورهای قدرت بزرگ از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
مثلا ساختن ده راکتور که قدرت هر یک برابر MW100 باشد، خیلی پر هزینه تر از یک راکتور تنها با توان MW1000 است.
171
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتورهای تحقیقاتی :
معمولا برای ایجاد نوترون و به منظور تحقیق در زمینه هایی نظیر فیزیک هسته ای یا فیزیک حالت جامد طراحی می شوند.
این راکتورها عموما در سطح قدرت پایین در گستره MW10-1، کار می کنند.
172
فصل سوم : شکافت هسته ای
ویژگیهای طراحی اساسی راکتورهای تحقیقاتی می تواند شامل این موارد باشد:
شار زیاد نوترون ، در حدود
سهولت در دسترسی به نوترونها ،و
کیفیت خوب طیف نوترون
173
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتور مبدل:
راکتوری است که با کارایی زیاد ماده غیر قابل شکافت با نوترونهای گرمایی را به ماده شکافت پذیر با این نوترونها تبدیل می کند.مشخصاً مبدلهایی که معمولا به کار می روند عبارت اند از راکتورهایی که را به و را به
تبدیل می کنند.
174
فصل سوم : شکافت هسته ای
طبقه بندی راکتورهای هسته ای قدرت بر اساس نوع سوخت , کند کننده و سرد کننده ای که در آنها استفاده می شود صورت می پذیرد.
در حال حاضر پنج نوع مختلف راکتور هسته ای قدرت وجود دارد که عبارتند از:
175
فصل سوم : شکافت هسته ای
1- راکتورهای آب سبک: (LWR)
در این راکتورها که متداولترین نوع راکتور در سطح جهان هستند از آب معمولی کاملا تصفیه شده هم به عنوان کند کننده و هم خنک کننده استفاده می شود.
این رکتورها خود نیزبه دو نوع (PWR ) و (BWR) طبقه بندی می شوند.
176
177
فصل سوم : شکافت هسته ای
1-1راکتور آب تحت فشار (PWR) :
همانطور که در شکل(الف) مشاهده می شود این راکتور از دوقسمت مجزا تشکیل شده است که درحقیقت شامل دومدار جریان آب جداگانه است .
178
شکل(الف)
179
اجزای راکتور آب تحت فشار
1- دیگ راکتور2- اجزای سوخت 3- میله های کنترل سوخت.4-جلوبر میله های کنترل سوخت. 5- فشارافزا. 6- مولدبخار .7- پمپ اصلی مدار. 8– انتقال دهنده بخار0 9- تغذیه کننده آب- 10- مولد فشار بالا. 11- مولد فشار پایین0 12 –ژنراتور0 13- استارتر . 14- چگالنده. 15- خنک کننده آب. 16- پمپ تغذیه کننده آب. 17- پیش گرم کننده آب . 18- حفاظ بتونی 0 19- پمپ خنک کننده آب.
180
فصل سوم : شکافت هسته ای
درمداراولیه که در شکل با رنگ آبی تیره نمایش داده شده است (قسمتهای 1تا 5شکل الف) آب بطور پیوسته در فشار ثابت بسیار بالایی( حدودا بین bar 120 تا 160) نگه داشته می شود .
این عمل باعث می شودتا دمای آب بدون رسیدن به نقطه ی جوش بالا رود.
181
فصل سوم : شکافت هسته ای
هنگامی که فشار در دیگ کاهش می یابد بوسیله ی یک گرمکن الکتریکی دمای فشار افزا ( قسمت 5 شکل) ودرنتیجه فشارآن افزایش می یابد تا آب به فشار اولیه برگردد.
واگر فشار افزایش یابد مقداری اب سردخنک کننده به فشار افزا تزریق می شود تا با کاهش دما فشار آن را دوباره کاهش دهد.
182
فصل سوم : شکافت هسته ای
مدار اولیه حرارتش را از طریق لوله های خمیده کوچکی به مدار ثانویه جریان آب در مولد بخار(قسمت 6شکل) منتقل کرده وسرد می شود ودوباره با دمای پایین تری به دیگ راکتور بر می گردد.
با این انتقال حرارت آب در مولد بخار به جوش آمده وبه بخار تبدیل می شود.
183
فصل سوم : شکافت هسته ای
بخار ایجاد شده به توربین فشار بالا(قسمت10) وفشار پایین (قسمت11) ودرنهایت سبب چرخش ژنراتور(قسمت13) و تولید الکتریسیته می گردد.
بخار پس از عبور از توربین سرد شده ودر چگالنده به مایع تبدیل می شود پس از آن بوسیله ی پمپ(قسمت 16) مجددا و با عبوراز پیش گرم کننده دوباره به مولد بخار بر می گردد.
184
فصل سوم : شکافت هسته ای
چون آب دومدار اولیه وثانویه معمولا با هم مخلوط نمی شونداز انتقال آب آلوده به مواد رادیو اکتیوبه محیط خارج از راکتور نیز جلوگیری به عمل می آید.
معمولا سوخت این نوع راکتورها اکسید اورانیوم 3تا4 درصد غنی شده است .
185
فصل سوم : شکافت هسته ای
در راکتور های PWR امروزی فشار آب در مدار اولیه معمولا بین 120 تا 160 بار می باشد به گونه ای که دمادر خنک کننده چیزی در حدود 300تا 320 درجه سلیسیوس است .
نزدیک به 64% انرژی هسته ای جهان توسط این نوع راکتورها تامین می شود.
186
فصل سوم : شکافت هسته ای
1-2راکتور آب جوش (BWR ) :
در یک راکتور آب جوش , آب سبک (H2O ) نقش کند کننده و سرد کننده را ایفا می کند (شکل ب).
قسمتی از آب می جوشد ,دور از میله های فشار راکتور , سپس یک مخلوط آب و بخار هسته راکتور را ترک می کند .
187
(شکل ب )
188
فصل سوم : شکافت هسته ای
در یک راکتور آب جوش , آب سبک (H2O ) نقش مدراتور و سرد کننده را ایفا می کند.
قسمتی از آب می جوشد ,دور از میله های فشار راکتور , سپس یک مخلوط آب و بخار هسته راکتور را ترک می کند.
بخار هدایت شده مستقیما به توربین می رود .
189
فصل سوم : شکافت هسته ای
بنابراین بخار و رطوبت باید جدا باشد ( آبی که از بخار می چکد می تواند به لبه های توربین آسیب بزند ) بخاری که توربین را ترک می کند در یک متراکم کننده , متراکم می شود وسپس بعد از دوباره گرم کردن به راکتور بر می گردد .
190
فصل سوم : شکافت هسته ای
آبی که در میله های راکتور تبخیر نشده است در ته میله ها جمع می شود و باآب پمپاژ شده ی برگشت داده شده مخلوط می گردد .
از زمانی که عمل جوشاندن در راکتورها شروع می شود فشار از PWR ها کمتر می شود (در حدود 60 تا70 بار ) .
سوخت این نوع راکتورعموما دی اکسید اورانیوم است .
191
فصل سوم : شکافت هسته ای
غنی سازی سوخت تازه معمولا پایین تراز PWR هاست .
فایده این نوع در این است که ساده ترین ساختار را دارد و ساختن آن هزینه کمتری دارد.
5/22% از کل انرژی که در حال حاظر در فعالیت هسته ای Power Plant در حال انجام است توسط BWR تامین می شود .
192
فصل سوم : شکافت هسته ای
2- راکتورهای آب سنگین: (HWR)
دراین راکتورها از آب سنگین (D2O)هم به عنوان کند کننده و هم خنک کننده استفاده می شود.
مزیت بزرگ آن از این واقعیت سرچشمه می گیرد که آب سنگین یک مایع گران قیمت است و ارزش آن بالاست , که بهترین مدراتور است .
193
شکل(پ(
194
فصل سوم : شکافت هسته ای
بنابراین , سوخت HWR ها می تواند تاحدودی (1تا 2%) ازاورانیوم غنی شده یا حتی اورانیوم طبیعی باشد.
آب سنگین نباید جوشانده شود , بنابراین باید همانند PWR ها در جریان اول با فشار زیاد موجود باشد .
195
فصل سوم : شکافت هسته ای
نماینده اصلی راکتور نوع آب سنگین راکتور CANDU کانادایی است در این راکتورها سرد کننده ومدراتور مخصوصا جدا هستند .
کند کننده در یک تانک بزرگ ( کالاندریا ) قرار دارد , که درآن لوله های فشار که مجتمع سوخت را احاطه کرده است وجود دارد .
196
راکتور CANDU
197
فصل سوم : شکافت هسته ای
سرد کننده فقط در این لوله ها جریان دارد . فایده این طراحی این است که به تمام تانک نیاز ندارد زیر فشار زیاد باشد فقط کافی است به سرد کننده که در لوله ها جریان دارد فشار آوریم .
این آرایش لوله ها ی تحت فشار راکتور نامیده می شود گرم شدن مدراتور خیلی کمتراز سرد کننده است .
198
فصل سوم : شکافت هسته ای
3- راکتورهایی که با گاز خنک می شوند (GCR) :
کند کننده این راکتورها گرافیت ، خنک کننده آنها گاز دی اکسیدکربن و سوخت مصرفی آنها اورانیم طبیعی است که در درون پوششی بنام مگناکس (اکسید منیزیم) قرار دارد این به قدیمی ترین انواع راکتور برمی گردد.
199
راکتور (GCR)
200
فصل سوم : شکافت هسته ای
4- راکتورهایی که دمای بسیار زیاد تولید می کنند (HTGR):
کند کننده این قبیل راکتورها گرافیت، خنک کننده آنها گاز هلیم و سوخت مصرفی آنها اورانیم 93% غنی شده اورانیوم 235 است وجدیدترین نوع را کتورهایی که با گاز سرد می شوند می باشند.
در این راکتورها دمای سرد کنندهای به اندازه 950 درجه سانتیگراد می تواند به دست آید.
201
فصل سوم : شکافت هسته ای
4-1 راکتورهای هسته ای با دمای بالا : (HTR)
این راکتورها می توانند در دماهای بسیار بالا ، گرما تولید کنند.
کاربرد این راکتورها بیشتر برای تولید گرما و بویژه برای تولید هیدروژن یا ماده قابل احتراق ترکیبی و به این ترتیب تغییر تمام عادات مصرف انرژی است.
202
فصل سوم : شکافت هسته ای
این راکتورها از نوع راکتورهای با نوترونهای حرارتی ، با گردش هلیوم که تقریبا به دمای 700 درجه سانتیگراد برده می شود، در تجمعی از گرافیت و ذرات قابل شکافت به دمای کمتر از 1300 درجه سانتیگراد برده می شوند.
203
فصل سوم : شکافت هسته ای
این راکتورها بسیار مطمئن هستند، هلیوم گازی بدون خطر و رادیو اکتیویته آن کمتر و گستره دما بسیار بزرگ است.
پسماندها و ضایعات آن بسیار کم است و می توانند الکتریسیته، آب گرم ، بخار آب تولید کنند و در آینده دور می توان از آن به هیدروکربورها یا به توسط واکنشهای داخلی هیدروژن تولید کرد و بخشی از مسئله نفت را حل کرد.
204
فصل سوم : شکافت هسته ای
4-2 راکتورهای با دمای بالای توریوم (THTR) :
راکتورهای دمای بالای با سوخت توریوم یک نوع مخصوص از راکتورهای با گاز سرد شونده است.
فقط یکی از این نوع بین سالهای 1985-1989 در آلمان تا کنون کار کرده است.
قدرت گرمایی راکتور MW760 بود.
205
راکتور (THTR)
206
راکتور (THTR)
207
فصل سوم : شکافت هسته ای
راکتور RBMK
RBMK یک نوع راکتور منحصر به فرد است : کند کننده آن گرافیت است ( از این جنبه شبیه به AGRs است) .سرد کننده آب سبک در حال جوش است ( شبیه به مورد BWRs ) , علاوه بر این , این راکتور یک لوله فشار دارد ( مانند CANDUs ).
اولین راکتور هسته ای Power plant جهان یک RBMK بود.
208
راکتور RBMK
209
فصل سوم : شکافت هسته ای
5- راکتورهای زایای سریع : (FBR)
سوخت این راکتورها اورانیم 93% غنی شده یا پلوتونیم است . این دسته از راکتورها به میزانی بیشتر از سوخت مصرفیشان ماده شکاف پذیر تولید می کنند (به همین دلیل به نام راکتورهای “زایا” معروفند). آنها کند کننده ندارند و ماده خنک کننده آنهانیز بیشتر یک فلز مایع مانند سدیم مایع می باشد.
210
راکتور (FBR)
211
فصل سوم : شکافت هسته ای
معیارهای مقایسه و انتخاب موادراکتورعبارتند از :
1- خواص مکانیکی خوب شامل (هرجا لازم باشد) رسانندگی گرمایی، گرمای ویژه ، چگالی، استحکام، نرمی، نقطه ذوب یا نقطه جوش بالا و ضریب انبساط پایین.
2- سطح مقطع جذب پایین نوترون برای همه مواد درون قلب جز سوخت و میله های کنترل (وسموم قابل سوخت, در صورت استفاده از آنها) .
212
فصل سوم : شکافت هسته ای
3- پایداری شیمیایی همه مواد دردماها و فشارهای راکتور. عدم وجود خطر اکسایش، تجزیه، انفجار یا واکنشهای شیمیایی دیگر.
4- عدم وجود تغییر فازهای متالوژیکی در دماهای عملیاتی که ممکن است منجر به تغییرات ابعادی شوند.
213
فصل سوم : شکافت هسته ای
5- مقاوت در برابر آسیب ناشی از تابش در طول عمر مواددرون راکتور.
6- دسترس پذیری آسان و ارزان نوع خالص، سادگی ساخت و سمی نبودن مواد انتخابی .
214
فصل سوم : شکافت هسته ای
انواع سوخت راکتور عبارتند از:
اورانیم :
اورانیم، در شکلهای مختلف متداول ترین ماده سوخت برای راکتورهای هسته ای است. (در مقایسه با اورانیم، کاربرد توریم و پلوتونیم خیلی محدودتر است.) اورانیم را می توان به صورت خالص، یعنی اورانیم فلزی، یا به صورت ترکیب مثل اکسید اورانیم و یا کربور اورانیم به کار برد.
215
فصل سوم : شکافت هسته ای
پلوتونیم :
چون فلز پلوتونیم خالص تا رسیدن به نقطه ذوب ، دارای تعداد زیادی فاز بلوری است، سوخت مناسب برای راکتور نمی باشد. رسانندگی گرمایی آن نیز خیلی پایین حدود W/Mk4.2در دمای اتاق است.
216
فصل سوم : شکافت هسته ای
فلز پلوتونیم در هوای مرطوب خیلی فعال است. اما می توان آن را در هوای خشک ودمای پایین انبار کرد.
پلوتونیم به علت اینکه پرتوزا، سمی و ماده اصلی سلاحهای هسته ای است، ماده خیلی خطرناکی می باشد.
217
فصل سوم : شکافت هسته ای
توریم :
به جز درچند راکتور با خنک کننده گازی دما-بالا، توریم تا کنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زیادی نداشته است.
توریم 232 ایزوتوپ باروری است که از آن اورانیم 233تولید می شود و از جنبه نظری می توان با استفاده از این ترکیب در راکتورهای حرارتی و سریع به نسبتهای زایش بالایی دست یافت.
218
فصل سوم : شکافت هسته ای
کند کننده ها :
ویژگیهای لازم برای کند کننده راکتورهای حرارتی، یعنی عدد جرمی پایین، سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین، و سطح مقطع پراکندگی بالا گزینش را به چند ماده محدود می کنند.
هیدروژن وایزوتوپ ان دوتریم، کربن و برلیم تنها عناصری هستند که برای کندکنندگی مناسب اند.
219
فصل سوم : شکافت هسته ای
آب :
آب، یک انتخاب بدیهی برای کند کننده راکتورهای حرارتی است، و می تواند به عنوان خنک کننده هم به کار رود.آب از نظر کند کنندگی نوترون دارای خواص بسیار خوبی است که باعث می شوند راکتورهای با خنک کننده آب دارای قلب بسیار کوچک تری نسبت به سایر راکتورها باشند.
220
فصل سوم : شکافت هسته ای
سطح مقطع جذب آب نسبتاً بالا است (0.66بارن بر مولکول) بطوریکه راکتورهای با خنک کننده و کند کننده آب برای بحرانی شدن نیاز به اورانیم غنی شده دارند.
البته آب فراوان و ارزان است و به راحتی با خلوص بالا تهیه می شود.
221
فصل سوم : شکافت هسته ای
آب سنگین :
بسیاری از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی آب سنگین شبیه آب معمولی است. فرق اساسی آب سنگین با آب معمولی در این است که دو تریم سطح مقطع جذب خیلی کمتری نسبت به هیدروژن دارد و سطح مقطع جذب آب سنگین فقط 0.001 بارن است. اما دوتریم از حیث کندکنندگی به خوبی هیدروژن نیست.
222
فصل سوم : شکافت هسته ای
در نتیجه، راکتورهایی که با اب سنگین خنک و کند می شوند از اورانیم طبیعی به عنوان سوخت استفاده می کنند، اما ابعاد قلب آنها بزرگتر از قلب راکتورهایی است که با آب معمولی کند می شوند.
فرق مهم دیگر، این است که تولید آب سنگین از طریق جداسازی آن از آب معمولی خیلی گران است، و اتلاف آن در اثر نشت باید به حداقل رسانده شود.
223
فصل سوم : شکافت هسته ای
گرافیت :
اولین راکتور هسته ای دنیا، CP-1 (پیل 1 شیکاگو) با گرافیت کند می شد، و با وجودیکه پس از آن از این ماده در راکتورهای تجارتی آمریکا استفاده نشده است، در راکتورهای بریتانیا به نحو گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است.
224
فصل سوم : شکافت هسته ای
ویژگیهای هسته ای این ماده مثل قدرت کند کنندگی و سطح مقطع جذب به خوبی ویژگیهای آب سنگین نیستند، اما نوع خالص آن را به آسانی می توان با قیمت مناسبی تهیه کرد و به خوبی قابل ماشین کاری است.
خواص ساختاری و گرمایی آن خوب است اما در دماهای بالا با آب و هوا ترکیب می شود.
225
فصل سوم : شکافت هسته ای
قلبهای گرافیتی راکتور از اجتماع تعداد زیادی (چند هزار) بلوک مکعب مستطیلی شکل که در آنها سوراخهایی برای عناصر سوخت و میله های کنترل تعبیه شده است، به وجود می آیند.
اثر تابش طولانی مدت نوترون بر گرافیت خیلی مهم است، زیر این تابش باعث تغییرات ابعادی و انباشت انرژی ذخیره شده در ساختار بلوری می شود
226
فصل سوم : شکافت هسته ای
خنک کننده ها :
هر خنک کننده راکتور هسته ای باید دارای شرایط اصلی زیر باشد :
1- خواص ترمودینامیکی خوب، یعنی رسانندگی گرمایِ، چگالی، و کرمای ویژه بالا، و چسبندگی پایین.
2- عدم بر هم کنش شیمیایی با قسمتهای دیگر راکتور.
227
فصل سوم : شکافت هسته ای
3- سطح مقطع جذب نوترونی خیلی پایین.
4- پرتوزا نشدن در اثر واکنشهای که ممکن است هنگام عبور خنک کننده از قلب راکتور رخ بدهد.
در میان خنک کننده های گازی، برخی را می توان به دلایلی حذف کرد.
228
فصل سوم : شکافت هسته ای
اکسیژن و هیدروژن هر دو از نظر شیمیایی فعال اند، و حتی هیدروژن ممکن است ایجاد انفجار هم بکند.
ازت دارای سطح مقطع جذب قابل ملاحظه ای1.8( بارن) است.
هوا که مخلوطی از اکسیژن و ازت است را نیز می توان حذف کرد.
229
فصل سوم : شکافت هسته ای
اکسیژن 16 با نوترونهای انرژی بالا (مثلا نوترونهای شکافت) دستخوش واکنش (n,p) شده ازت 16 تولید می کند که پرتوزا است، اما نیم عمر آن فقط 7 ثانیه است، بطوریکه خطر پرتوزایی، کوتاه-عمر است.
مهم ترین خنک کننده های گازی دی اکسید کربن و هلیم می باشند.
230
فصل سوم : شکافت هسته ای
دی اکسید کربن گاز است تقریباً غیر قابل بر هم کنش، اما در دماهای بالا با گرافیت و بعضی از انواع فولاد ترکیب می شود.
هلیوم گازی است بی اثر، دارای خواص ترمودینامیکی خوب و خطر تابش هم ایجاد نمی کند، بنابراین ظاهرا می توان آن را به عنوان خنک کننده ایده آل راکتورهای گازی تلقی کرد.
231
فصل سوم : شکافت هسته ای
فلزات مایع:
به دلیل خواص ترمودینامیکی خوبشان، بخصوص رسانندگی گرمایی بالای آنها که منجر به ضرایب انتقال گرمای خیلی خوبی می شود، خنک کننده های بالقوه خیلی خوبی برای راکتورها هستند.
سدیم، لیتیم، جیوه و آلیاژهای سدیم-پتاسیم همه امکانهای قابل توجهی هستند.
232
فصل سوم : شکافت هسته ای
اما از این میان اینها فقط سدیم به مقدار قابل ملاحظه ای، منحصراً در راکتورهای سریع زاینده، مورد استفاده قرار گرفته است.
آلیاژهای سدیم-پتاسیم هم ممکن است مورد استفاده بیشتری قرار بگیرند.
233
فصل سوم : شکافت هسته ای
جیوه، خیلی گران و سمی است، مضافاً اینکه سطح مقطع جذب آن بالاتر از آن است که بتوان آن را در راکتورهای حرارتی به کار برد.
لیتیم از بسیاری جهات شبیه سدیم است، اما دارای نقطه ذوب خیلی بالاتری است و گران تر نیز هست.
234
فصل سوم : شکافت هسته ای
بمبهای شکافتی
هرگاه آزاد سازی انرژی یک مجموعه ابر بحرانی 239Pu یا 235U که به طور نمایی افزایش می یابد، بدون کنترل ادامه پیدا کند، بزودی با یک وضعیت شدیدا ناپایدار روبه رو خواهیم شد.
235
فصل سوم : شکافت هسته ای
انرژی آزاد شده در ماده شکاف پذیر باید منتشر شود که طی این عمل غالبا سوخت شکاف پذیر متفرق می شود و لذا به صورت زیربحرانی در می آید.
برای ساختن یک بمب هسته ای لازم است که قطعات زیربحرانی را کنار هم بگذاریم و آنها را به صورت یک مجموعه ابر بحرانی در آوریم.
236
فصل سوم : شکافت هسته ای
دو طرح اساسی در ساخت بمبهای مبتنی بر شکافت در اسلاید بعدی نشان داده شده است.
در بالا، طرح تفنگی است که شبیه آن در سال 1945 روی هیروشیما در ژاپن انداخته شد. انرژی آزاد شده معادل 20 کیلو تن TNT بود.
237
دو نوع بمب شکافتی
238
فصل سوم : شکافت هسته ای
طرح پایین از نوع بمب انفجار داخلی است.
بمبی که روی شهر ناکازاکی ژاپن منفجر شد از همین نوع بود. بهره این بمب نیز همانند بمب قبلی است.
239
بمب اتمی معروف به مرد چاق
240
یک انفجار هسته ای
241
فصل سوم : شکافت هسته ای
اثرات بمبهای هسته ای را در چند دسته می توان خلاصه کرد:
1- موج انفجار
2- تابش گرمایی
3- تابش هسته ای مستقیم
4- تابش هسته ای غیر مستقیم
242
بمباران اتمی هیروشیما
243
سلاحهای هسته ای
244
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
اسپین هسته
هر حالت هسته را با یک عدد کوانتومی ”اسپین“ منحصر به فرد I مشخص می کنیم که نمایانگر تکانه کل تمام نوکلئونهای هسته است.
بردار I را می توان به صورت حاصل جمع مولفه های مدارب و ذاتی تکانه زاویه ای در نظر گرفت:
I = ∑ (li+si)
L + S = ∑ ji =
245
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
اگر تکانه زاویه ای کل الکترونها را با J تعریف کنیم، تکانه زاویه ای کل هسته و الکترونها برابر است با:
F = I + J
246
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
اعداد کوانتومی I و J مکن است بسته به اینکه تعداد نوکلئونها و الکترونها زوج یا فرد باشند، مقا دیر درست یا نیم درست را به خود اختصاص دهند.
جدول اسلاید بعد این موضوع را نشان می دهد.
247
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
248
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
جت شدگی تکانه زاویه ای پروتون – نوترون در
38Cl و
50Sc
249
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
250
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
گشتاور مغناطیسی μ عبارت است از:
μ = (eħ/2m) l
کمیت eħ/2m دارای بعد گشتاور مغناطیسی است و مگنتون نامیده می شود.
251
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
اگر به جای m جرم پروتون را قرار دهیم، مگنتون هسته ای μN به دست می آید:
μN = eħ/2mp = 3.15245 x 10-8 eV/T
252
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
و با قرار دادن جرم الکترون، مگنتون بور μB حاصل می شود:
μB = eħ/2me = 5.78838 x 10-5 eV/T
253
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
ساختار فوق ریز
انرژی برهم کنش بین میدان مغناطیسی حرکت ظاهری که متناسب با L است و گشتاور مغناطیسی اسپینکه متناسب با S است ، برابر است با:
E = – μs.B = f (r) L.S
254
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
حاصلضرب L.S برابر است با:
J = L + S
(J)2 = (L)2 + 2 L.S + (S)2
L.S = 1/2 [ (J)2 – (L)2 – (S)2 ]
< L.S> = 1/2 ħ2 [J(J + 1) – L(L + 1) – S (S + 1) ]
255
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
جمع تکانه های زاویه ای مداری و اسپینی برای حالت
L = 1 و s = 1/2
256
257
258
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
در اسلاید بعد ، نمودار تراز انرژی ساختار ریز نشان داده شده است.
در سمت چپ، ترازها درغیاب میدان، و در سمت راست در حضور میدان نشان داده شده است.
259
260
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
اسلایدهای بعدی، شکافتگی فوق ریز در سدیم را نشان می دهند.
این در واقع همان اثر زیمان غیر عادی است.
261
262
263
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
مدل برداری برای جمع
تکانه های زاویه ای و ،
گشتاورهای مغناطیسی
264
265
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
شکافتگی ترازهای انرژی برای اثر عادی زیمان.
با اندازه گیری شکافتگی ترازهای انرژی دراثرپدیده زیمان، می توان به شدت میدان مغناطیسی در لک های خورشیدی پی برد، که در حدود 5100 گاوس است، در حالیکه میدان مغناطیسی زمین 5/0 گاوس است.
266
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
267
فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای