دانشیار فیزیک هسته ای دانشگاه پیام نور

Παρουσίαση με θέμα: "دانشیار فیزیک هسته ای دانشگاه پیام نور"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 دانشیار فیزیک هسته ای دانشگاه پیام نور
فیزیک هسته ای 2 3 واحد درسی تالیف : دکتر سعید محمدی دانشیار فیزیک هسته ای دانشگاه پیام نور تابستان 1385 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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

4 مراجع 1- آشنایی با فیزیک هسته ای، کنت کرین، ترجمه ناصر میر فخرایی و مجید مدرس، مرکز نشر دانشگاهی، 1373 2- فيزيك جديد، كنت اس كرين، ترجمه رهبر، معلمى، مركز نشر دانشگاهي، 3- فيزيك نوين، هانس اهانيان – ترجمه پاشايي راد و معلمی، کتاب ماد، 1372. فیزیک هسته ای 2

5 مقدمه اتم وهسته : اتم از هسته اي تشکيل شده است، که تمام پروتون هاي با بار مثبت و نوترون هاي بدون بار در آن گرد هم آمده اند، و تعدادي الکترون با بار منفي، در مدارهايي حول آن مي چرخند. فیزیک هسته ای 2

6 مقدمه تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها برابر است واين تعداد، Z ، عدد اتمي يک عنصر خاص بوده و معرف آن عنصر است(اين عدد مترادف با محل ان عنصر در جدول تناوبي است). تعداد نوترون ها در هسته با N نشان داده مي شود و حاصل جمع نوترون ها و پروتون ها در هسته، عدد جرمي A ، ناميده مي شود : N + Z = A واژه نوکلئون به تمام ذرات دورن هسته، اعم از پروتون يا نوترون، اطلاق مي شود. فیزیک هسته ای 2

7 مقدمه ايزوتوپ ها : اتمهايي که داراي عدد اتمي ،Z ، يکسان ولي عدد نوتروني متفاوت Nمي باشند، ايزوتوپ های عنصر با عدد اتمی Zنامیده می شوند. تمام عناصر دارای ایزوتوپ هستند، و در مواردي اين تعداد به 20 يا بيشتر مي رسد. فیزیک هسته ای 2

8 مقدمه یکاهای فیزیک هسته ای :
يکاي جرم عبارت از يکاي جرم جهاني (U) است، که به صورت يک دوازدهم جرم يک اتم خنثی کربن 12 تعريف مي شود.مقدار آن برابر است با : فیزیک هسته ای 2

9 مقدمه جرم اتمي هر ايزوتوپ برابر است با جرم يک اتم از آن ايزوتوپ که بر حسب U بيان شده باشد. جرمهاي اتمي تعدادي از ايزوتوپ ها در جدول آورده شده است. فیزیک هسته ای 2

10 جرم های اتمی (u) بعضی از ایزوتوپها
فیزیک هسته ای 2

11 مقدمه جرم و بار پروتون، نوترون و الکترون در جدول درج شده است.
با توجه به اين اطلاعات، واضح است که تقريباً تمام جرم يک اتم در هسته متمرکز است، و همچنين روشن است که جرم اتمي تقريباً با عدد جرمي برابر است. فیزیک هسته ای 2

12 جرم و بار پروتون ، نوترون و الکترون
فیزیک هسته ای 2

13 مقدمه بار الکتريکي پروتون و الکترون برابر و علامت آنها مخالف يکديگر است. مقدار اين بار، که بار الکتروني معروف است، عبارت از کولن است . فیزیک هسته ای 2

14 مقدمه يکاي انرژي، الکترون-ولت (eV) يا مگا الکترون-ولت (MeV) است. الکترون-ولت عبارت از افزايش انرژي ذره اي با بار يک الکترون به هنگامي است که اختلاف پتانسيل 1 ولت را طي مي کند.رابطهء بین (ev)وژول عبارت است از: 1eV = X J فیزیک هسته ای 2

15 مقدمه کاستي جرم و انرژي بستگي :
کاستي جرم ، ،براي هر دسته را مي توان به صورت زير حساب کرد : که در آن ، و جرمهاي پروتون، نوترون و هسته مورد نظر هستند . فیزیک هسته ای 2

16 انرژی بستگی=502/931 کاستی جرم
مقدمه رابطه بين انرژي بستگي B ، بر حسب MeV ، وکاستي جرم، بر حسب U،به صورت زیر است: انرژی بستگی=502/ کاستی جرم فیزیک هسته ای 2

17 مقدمه نيروهاي هسته اي و ترازهاي انرژي :
در اين مرحله خوب است که به طور خيلي اجمالي اشاره اي به نيروهاي موجود در بين نوکلئون هاي هسته اتم داشته باشيم. در مقياس ماکروسکوپي، نيروي الکتروستاتيکي کولني بين ذرات باردار به خوبي شناخته شده است، ودر مقياس اتمي هم اين نيرو در بين پروتون هاي داخل هسته، که همه داراي بار مثبت هستند، به صورت يک نيروي دافعه وجود دارد. فیزیک هسته ای 2

18 مقدمه بنابراين، نيروي کولني نيروئي است که سعي بر واپاشی یاشکستن هسته اتم دارد، و اين واقعيت که هسته هاي ايزوتوپ هاي طبيعي پايدار هستند، نشان از وجود نيروي ديگري دارد که قوي تر از نيروي کولني است و هسته را به صورت يک کل پا بر جا نگه مي دارد. فیزیک هسته ای 2

19 مقدمه واقعيت نيز همين است، و آزمایش وجود نيروي قدرتمند جاذبي را نشان مي دهد که وقتي ذرات نزديک به يکديگر، حدود، باشند وارد عمل مي شود. اين نيروي هسته اي کوتاه –برد، به شرطي که فاصله جدايي بين ذرات کمتر از فاصله فوق الذکر باشد، تقريباً با قدرت يکسان بين دو پروتون، دو نوترون، يا يک پروتون و يک نوترون، عمل مي کند. فیزیک هسته ای 2

20 مقدمه هسته هاي اتمي معمولاً در يک وضعيت پايدار ، موسوم به حالت انرژي پايه، به سر مي برند. با اين همه، در نتيجه واکنشهاي هسته اي (که ممکن است در اثر بمباران اتم ها به وسيله پروتون ها، نوترون ها، با ذرات سبک ديگر پديد بيايند)، هسته ها مي توانند در يک وضعيت ناپايدار يا برانگيخته قرار داشته باشند که در آن يک يا چند نوکلئون به حالت برانگيخته برده شده اند. فیزیک هسته ای 2

21 مقدمه حالتهاي برانگيخته در يک هسته شبيه حالتهاي برانگيخته
ا تم ها هستند. در مورد اخير، برانگيختگي باعث مي 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 . فیزیک هسته ای 2

22 مقدمه در هسته وضعیت پیچیده تر است زیرا بر انگیختگی می تواند باعث می شود چند نوکلئون به طور همزمان به ترازهاي برانگيخته بروند، وبعضي هسته ها مي توانند داراي تعداد بسيار زيادي ترازهاي برانگيخته نزديک به هم باشند. فیزیک هسته ای 2

23 مقدمه به طور کلي، در هسته هاي سبک ترازهاي برانگيخته فاصله شان از هم بيشتر است، ودر تمام هسته ها فاصله ترازها با افزايش انرژي برانگيختگي کاهش مي يابد. بيشتر هسته ها فقط براي مدت خيلي کوتاهي در حالت برانگيخته به سر مي برند، وعمر متوسط نوعي آنها حدود ثانيه است. فیزیک هسته ای 2

24 مقدمه هسته های برانگیخته با گسيل تابش الکترو مغناطيسي انرژي-بالا، موسوم به تابش گاما، یا ذراتي مانند نوترون، يا هر دو، وا مي پاشند. در اغلب واکنشهاي مورد توجه فیزیکدانان، که شامل تشکيل و واپاشي هسته هاي برانگيخته است، طول عمر هستهء برانگيخته آنقدر کوتاه است که فرايند تشکيل و واپاشي را مي توان آني تلقي کرد. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

28 فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
دوترون دوترون ، ساده ترين سيستمي است كه در آن مي توان بر هم كنش نيروي قوي را مطالعه كرد. این هسته از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است و ساده ترین حالت مقید نوکلئونهاست. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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 . فیزیک هسته ای 2

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: فیزیک هسته ای 2

33 مدل گرافیکی برای حل معادله شرودینگر
فیزیک هسته ای 2

34 فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
که جرم کاهش یافته است. از کوانتوم (1) داریم : فیزیک هسته ای 2

35 فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
پارامترهای بکار رفته عبارتند از: فیزیک هسته ای 2

36 فصل اول: نیروی بین نوکلئونها
مقادیر عمق چاه پتانسیل و شعاع دوترون عبارتند از: فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 . فیزیک هسته ای 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 = ± μN فیزیک هسته ای 2

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 = ± b فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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)] فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

59 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
همانطور که اشاره شد كه براي ايجاد هسته‌هاي جديد بايد واكنش هسته‌ايي از نوع X(a,b) Y داشته باشيم كه در آن a پرتابه، X هدف و b و Y هسته‌هاي توليد شده‌اند. فیزیک هسته ای 2

60 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
انتخاب پرتابه a و هدف X به نوع آزمايش بستگي دارد (به طور مثال امكان دارد a سنگينتر از X باشد)، و يا ممكن است واكنش از نوع a+x→ y باشد كه Y هسته‌اي مركب است. فیزیک هسته ای 2

61 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
به طور كلي انتخاب نوع واكنش به جرم هسته‌هاي پرتابه و هدف و نيز انرژي پرتابه بستگي دارد. شكل بعدی خلاصه‌اي از طبقه‌بندي واكنشها را برحسب پارامتر برخورد (b) نشان مي‌دهد. فیزیک هسته ای 2

62 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
فیزیک هسته ای 2

63 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
پارامترهاي برخورد كوچك (bf) به تشكيل هسته مركب يا همجوشي منجر مي‌شود. در پارامترهاي برخورد متوسط (b Dic)، واكنشهاي ناكشسان شديد (DIC) اتفاق مي‌افتد. فیزیک هسته ای 2

64 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در پارامترهاي برخورد بزرگتر (b gr)، واكنشهاي اصطلاحاً خراشان انجام مي‌شود كه منجر به واكنشهاي شبه كشسان يا واكنشهاي مستقيم مي‌شود. سرانجام پارامترهاي برخورد خيلي بزرگ به برخوردهاي كشسان يا برانگيختگيهاي كولني منجر مي‌شوند. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

66 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

68 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
جواب با توجه به جرمهای اتمی ، جرم کل اولیه ذرات برابر است با: mi = u u = u و جرم کل نهایی برابر است با: mf = 2( u) = u فیزیک هسته ای 2

69 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
مقدار Q واکنش برابر است با: ∆m = mi – mf = = u Q = (∆m) c2 = x = MeV چون Q>0، واکنش گرما زا است. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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). فیزیک هسته ای 2

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، فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

81 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 خلأ کامل به ناحیه هدف انتقال یابد. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

92 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
در آشکارسازی مکن است از یکی از آشکارسازهای زیر یا ترکیبی از آنها استفاده شود. الف) آشكارسازهاي سوسوزن كه به شكل كره براي آشكارسازي همه پرتوهاي گاماي گسيلي در واكنش بکار می روند. ب) آرايه‌هاي آشكارسازي ذرات باردار سبك نظير پرتونها و ذرات آلفا که بیشتر از جنس سیلیکون است. فیزیک هسته ای 2

93 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ج) آشكارسازهاي نوتروني، كه حاوي مقادير زيادي از تركيبات هيدروژني است. د) آشكارسازهاي جداكننده هسته‌هاي پس زده . فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

97 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واكنشهاي هسته مركب در واكنش هسته مركب، پرتابه‌اي با انرژي كمتر از با هدفي برخورد و دستگاه مركب چرخشي داغي توليد مي‌كنند كه در آن انرژي فرودي بطور كاتوره‌اي بين تمام نوكلئونهاي دستگاه توزيع مي‌شود. فیزیک هسته ای 2

98 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
طول عمر يك هسته مركب معمولاً 19–10 تا 16–10 ثانيه قرار دارد كه در مقايسه با زمان ثانيه براي واكنشهاي مستقيم خيلي طولانيتر است. همين مقدار زمان براي رسيدن دستگاه به تعادل ترموديناميكي پيش از واپاشي, كافي است . فیزیک هسته ای 2

99 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
چون هسته‌هاي مركب با انرژيهاي برانگيزش قابل ملاحظه‌اي تشكيل مي‌شود, همواره تبخير چند ذره (نوكلئون) پيش از گسيل پرتوهاي گاما صورت مي‌گيرد. براي هسته‌هاي سنگينتر, وجود سد كولني مانع تبخير ذرات باردار مي‌شود. در نتيجه خروج ذرات بدون بار نظير نوترونها برتري دارد. فیزیک هسته ای 2

100 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
با تشكيل هسته‌هاي مركبي داراي كمبود نوترون, انرژي بستگي نوترونها بيشتر مي‌شود حال آنكه انرژي بستگي پروتونها كاهش مي‌يابد تا جائيكه سرانجام گسيل ذرات باردار (نظير پروتونها و ذرات آلفا) برتري مي‌يابد. فیزیک هسته ای 2

101 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
تبخير ذرات از هسته مركب سبب كاهش قابل ملاحظه انرژي برانگيزش هسته باقيمانده مي‌شود, در حاليكه تكانه زاويه‌اي هسته باقيمانده همچنان زياد است. سرانجام هسته باقيمانده, با گسيل پرتوهاي گاما, بقيه انرژي برانگيزش و تكانه زاويه‌اي را از دست مي‌دهد تا در پايان به حالت پايه برسد. فیزیک هسته ای 2

102 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
چون تكانه زاويه‌اي اوليه خيلي بزرگ است, گسيل گاما بطور معمول از اسپينهاي بالا به صورت آبشاري (پلكاني) روي مي‌دهد و مطالعه هسته‌ها را در اسپينهاي بزرگ امكان‌پذير مي‌رساند. فیزیک هسته ای 2

103 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
براي ايجاد واكنش همجوشي، بايد كمينه انرژي جنبشي پرتابه برابر انرژي دافعه كولني باشد. مقدار تقريبي انرژي سدكولني برابر است با: فیزیک هسته ای 2

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. شكل بعد انواع مختلف واكنشهاي هسته‌اي را كه بستگي به پارامتر برخورد (b) دارد نشان مي‌دهد. فیزیک هسته ای 2

105 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

108 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ضمنا می تواند به طرق مختلفی نظیر 63Zn + n 62Zn + 2n 62Cu + p + n واپاشیده شود. فیزیک هسته ای 2

109 یک واکنش هسته ای فیزیک هسته ای 2

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 تا ثانیه است. فیزیک هسته ای 2

111 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
واکنشهای مستقیم در اين نوع واكنش، هسته‌ها آنچنان به يكديگر نزديك مي‌شوند كه ذره تابشی عمدتا درسطح هسته هدف بر هم کنش انجام می دهد. چنین واکنشهایی را فرایندهای پیرامونی نیز می نامند. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

117 فصل دوم : واکنشهای هسته ای
ویژگیهای واکنشهای مستقیم: 1- فرایندهای مستقیم خیلی تند و از زمانی از مرتبه خیلی کوتاه 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. فیزیک هسته ای 2

118 فصل سوم : شکافت هسته ای شکافت هسته اي : کشف و چگونگي آن
پس از آنکه ژوليو و کوري نشان دادند بعضي از محصولات واکنشهاي هسته اي راديو اکتيواند ، فرمي و همکاران اودر ايتاليا مطالعه اي سازمان يافته را درباره واکنشهاي هسته اي که با نوترون القا مي شوند، به عمل آوردند. يکي از اهداف اين تحقيق توليد نوکلئيدهاي جديد بود. فیزیک هسته ای 2

119 فصل سوم : شکافت هسته ای در طي 5 سال بعد آزمايشهاي متعددي درباره بمباران نوتروني اورانيم به عمل آمد. براي تابش حاصل از هدف، نيم عمرهاي راديواکتيو بسيارمتفاوتي يافته شد، ليکن تلاش براي تشخيص عناصر خاصي که اين نيم عمرها را داشته باشد منجر به اغتشاش بزرگي گرديد. فیزیک هسته ای 2

120 فصل سوم : شکافت هسته ای دليل اغتشاش مذکور در اوايل سال 1939 به وسيله دو فيزيکدان آلماني اتوهان و فريتز اشتراسمان يافته شد.آنان آشکارا نشان دادند که يکي از عناصر ماوراي اورانيم فرضي در واقع ايزوتوپي از باريم است، و اين امر از روي نيم عمر 86 دقيقه اي و رفتار شيميايي آن معلوم شد. نوکلئيد ديگري از بمباران نوتروني اورانيم به دست مي آمد که معلوم شد لانتان با نيم عمر 40 ساعت است. فیزیک هسته ای 2

121 فصل سوم : شکافت هسته ای توليد نوکلئيدهای و از اورانيم، نوکلئيدي با عدد اتمي 92 و عدد جرمي تقريباً 240 ، مستلزم نوعي واکنش هسته اي ناشناخته بود، واکنشي که در جريان آن هسته سنگين به دو نيم شکافته مي شود. چنين چيزي قبلاً شناخته نشده بود. فیزیک هسته ای 2

122 فصل سوم : شکافت هسته ای با توجه به شواهد شيميايي آشکاربود که هسته اورانيم، وقتي با نوترون بمباران مي شود به دو هسته با جرم اتمي متوسط شکافته مي شود. اسلایدهای بعد نمودارهای طرح گونه ای هستند که شکافت اورانیوم را نشان می دهند. فیزیک هسته ای 2

123 فصل سوم : شکافت هسته ای فیزیک هسته ای 2

124 شکافت اورانیوم-235 فیزیک هسته ای 2

125 فصل سوم : شکافت هسته ای گامي را که هان و اشتراسمان از برداشتن آن ابا داشتند، در 19 ژانويه سال 1939 به وسيله دو فيزيکدان اتريشي، ليزه ميتنر و اتو.آر.فريش برداشته شد. نظر ايشان چنين بود که نوترون، فروپاشي هسته اورانيم به «دو هسته تقريباً برابر» را تحريک و تسريع مي کند. آنان اين فرايند را در مقايسه با تقسيم يا شکافته شدن يک سلول زنده به دو جزء، «شکافت هسته» ناميدند. فیزیک هسته ای 2

126 فصل سوم : شکافت هسته ای فرآيند شکافت هسته اي را مي توان توسط مدل قطره اي تفسير نموده و شرح داد. نوترون به هسته اورانیوم-235 نزديک و توسط اين هسته جذب و تشکيل هسته اورانیوم-236 را مي دهد. در ادامه، بعد از گذشت مدت زماني تقريباً برابر با ثانيه، زمان واپاشي هسته فرا مي رسد. فیزیک هسته ای 2

127 فیزیک هسته ای 2

128 فیزیک هسته ای 2

129 فیزیک هسته ای 2

130 فیزیک هسته ای 2

131 فیزیک هسته ای 2

132 فصل سوم : شکافت هسته ای اين فرايند ممکن است به دو صورت دنبال شود: يا انرژي اضافي بصورت تشعشعات گاما خارج شده و هسته به وضعيت پايدار انتقال يابد، و يا انرژي اضافي موجب تغییر شکل هسته و کشش بيش از حد آن (که احتمال ان 6 برابر بيشتر از حالت قبل است) مي شود. فیزیک هسته ای 2

133 فصل سوم : شکافت هسته ای بخش هايي از هسته به حرکت نوساني سوق داده شده و نهايتاً افزايش نيروهاي دفع کولني بر نيروهاي جذب هسته اي، موجب متلاشي شدن هسته و تقسيم آن به دو هسته جديد که به آنها پاره هاي شکافت (محصولات شکافت) مي گويند، مي شود. فیزیک هسته ای 2

134 فصل سوم : شکافت هسته ای اين پاره هاي شکافت که يکي سبک و ديگري سنگين مي باشند، در حقيقت هسته نوکليدهاي جديدي هستند که در ميانه جدول تناوبي عناصر قرار دارند. پاره هاي شکافت داراي سرعت زيادي هستند و بخش عمده اي از انرژي آزاد شده در اثر شکافت هسته اي (80%) به صورت انرژي جنبشي در اين پاره هاي شکافت ظاهر مي شود . فیزیک هسته ای 2

135 فصل سوم : شکافت هسته ای بخشي از انرژي ايکه در فرايند شکافت توليد مي شود، به شکل انرژي برانگیختگی به هسته پاره هاي شکافت منتقل مي شود. انرژي برانگیختگی هر کدام از اين هسته هاي ايجاد شده خيلي بيشتر از انرژي بستگي نوترون ها در اين هسته هاست، به همين دليل در هنگام تبديل به وضعيت پايدار، يک و يا چند نوترون و در ادامه پرتوهای گاما منتشر مي کنند. فیزیک هسته ای 2

136 فصل سوم : شکافت هسته ای فراورده هاي شکافت عبارت اند از دو پاره شکافت که اعداد جرمي آنها بين 70 تا 160 متغير است، بين صفر تا پنج نوترون، ذرات بتا، تابش گاما، و نوترينو. هويت دقيق فراورده هاي شکافت وتعداد نوترون ها از يک رويداد شکافت به رويداد ديگر فرق مي کند . فیزیک هسته ای 2

137 فصل سوم : شکافت هسته ای به عنوان مثال ، واکنش زير يک شکافت نوعی است:
فیزیک هسته ای 2

138 فصل سوم : شکافت هسته ای ملاحظه مي شود که جرمهاي دو فرآورده شکافت، در اين مثال، لانتانم و برم برابر نيستند و شکافت نامتقارن مانند اين خيلي محتمل تر از شکافتي است که در آن دو جرم مساوي باشند. طيف فراورده هاي شکافت در نمودار بعد است، و به سادگي ملاحظه مي شود که اعداد جرمي همه فرآورده هاي شکافت بين 76 و 160 قرار دارند. فیزیک هسته ای 2

139 فیزیک هسته ای 2

140 فصل سوم : شکافت هسته ای همچنين تعداد نوترون هاي گسيل شده به ازاي هر شکافت، از يک رويداد به رويداد ديگر فرق مي کند، و به ايزوتوپي که دستخوش شکافت مي شود و همچنين انرژي نوترون فرودي بستگي دارد. تعداد متوسط نوترون هايي که به ازاي هر شکافت گسيل مي شوند، ، يکي از مهمترين پارامترها در مهندسي راکتور است. فیزیک هسته ای 2

141 فصل سوم : شکافت هسته ای تغييرات بر حسب انرژي تقريباً به صورت زیر است:
مقادیر آن برای بعضی از ایزوتوپها در جدول بعد نشان داده است. فیزیک هسته ای 2

142 فصل سوم : شکافت هسته ای فیزیک هسته ای 2

143 فصل سوم : شکافت هسته ای نوترون هاي شکافت با انرژيهاي گوناگوني گسيل مي شوند که مي توان آنها را با يک توزيع پيوسته يا طيف انرژي شکافت توصيف کرد. اگر S(E)d(E) تعداد نسبي نوترون هاي شکافت باانرژي بين E + dE, E باشد، عبارت عموماً پذيرفته شده S(E) عبارت است از : فیزیک هسته ای 2

144 فصل سوم : شکافت هسته ای توجه کنيد که عبارت بالا براي S(E) بهنجار شده است به طوري که فیزیک هسته ای 2

145 طیف انرژی نوترون شکافت فیزیک هسته ای 2

146 فصل سوم : شکافت هسته ای متوسط انرژی نوترونهای شکافت از معادله
به دست مي آيد وبرابر 1.93(MeV)است، اما معمولاً برابر MeV2 فرض مي شود. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

148 فیزیک هسته ای 2

149 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

151 فیزیک هسته ای 2

152 فصل سوم : شکافت هسته ای واکنش زنجيره اي و کنترل آن به وسيله راکتور
اين حقيقت که در شکافت ايوتوپهايي مانند با نوترون به طور متوسط در هر شکافت بيش از يک نوترون گسيل مي شود به امکان وقوع واکنش زنجيره اي در جرمي از ماده شکافت پذير منجر مي شود. ثابت ماندن، زياد شدن يا کم شدن واکنش زنجيره اي بستگي دارد به توليد نوترونها. فیزیک هسته ای 2

153 فصل سوم : شکافت هسته ای سيستمي که در آن مواد شکافت پذير و شکافت ناپذير طوري ترتيب يافته باشند که واکنش زنجيره اي بتواند به گونه کنترل شده اي پيش رود راکتور هسته اي ناميده مي شود. در مقابل بمب اتمي چنان طرح شده است که در آن توليد واکنش زنجيره اي تا حد انفجار افزايش مي يابد. فیزیک هسته ای 2

154 فصل سوم : شکافت هسته ای فرمى و زيلارد نخستين كسانى بودند كه توانستند يك واكنش زنجيره اى كامل را در يك راكتورهسته اى انجام دهند. آنها در دهه ۱۹۴۰ كه بر روى پروژه ساخت بمب هسته اى براى ايالات متحده (منهتن) كار مى كردند، در دانشگاه شيكاگو و در آزمايشگاه شان اين كار را انجام دادند. فیزیک هسته ای 2

155 فصل سوم : شکافت هسته ای در قسمت مركزي هر راكتور هسته اي محفظه اي وجوددارد كه ماده شكافت پذير (سوخت) در درون آن جاي مي گيرد. به دليل رخداد واكنشهاي زنجيره اي منظم و مداوم اين ماده در درون محفظه، انرژي توليد مي شود . فیزیک هسته ای 2

156 فصل سوم : شکافت هسته ای راكتورها داراى كاربردهاى كاملاً دوگانه هستند. در مصارف صلح آميز با بهره گيرى از حرارت توليدى در شكافت هسته اى كار مى كنند. اين حرارت جهت گرم كردن آب، تبديل آن به بخار و استفاده از بخار براى حركت توربين ها بهره گرفته مى شود. فیزیک هسته ای 2

157 فصل سوم : شکافت هسته ای راکتورهای هسته‌ای در کل از دو نوع شکافتی و همجوشی تشکیل شده‌اند و خود اینها با توجه به شرایط حاکم و اهداف مورد نظر به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند كه دراينجا به توصيف آنها خواهيم پرداخت. فیزیک هسته ای 2

158 فصل سوم : شکافت هسته ای راکتور هسته اي منبعي است براي محصولات فرايندشکافت، يعني انرژي، نوترون، و ايزوتوپهاي پرتوزا. در هر شکافتي که دريک اتم از ماده شکافت پذير با عدد جرمي 235 رخ مي دهد، MeV200 انرژي آزاد مي شود . فیزیک هسته ای 2

159 فصل سوم : شکافت هسته ای يک راکتور مي تواندبه عنوان چشمه اي از نوترون، در واحد زمان تعداد زيادي نوترون در گستره وسيعي از انرژييها به وجود آورد . از نوترون گسيل شده در هر شکافت، تنها يک نوترون براي ايجاد شکافت ديگر و حفظ واکنش زنجيره اي در آهنگي يکنواخت، لازم خواهد بود. فیزیک هسته ای 2

160 فصل سوم : شکافت هسته ای بنابراين در هر شکافت تعداد (1- ) نوترون براي ساير مقاصد باقي مي ماند، اين مقاصد هميشه در طرح راکتور در نظر گرفته مي شوند. براي آنکه واکنش زنجيري در يک نمونهء اورانيم با سرعتي يکنواخت ادامه يابد، بايد توازن مناسبي بين توليد خالص نوترونهاي حاصل از عمل شکافت واز دست رفتن نوترونها در جریان سه فرايند زير وجود داشته باشد : فیزیک هسته ای 2

161 فصل سوم : شکافت هسته ای 1- گيرافتادن نوترون به وسيله اورانيم بدون حصول شکافت 2- گير افتادن نوترون به وسيله ديگر مواد موجود در نمونه يا دستگاهي که نمونه را در بردارد 3- فرار نوترون از نمونه بدون گير افتادن فیزیک هسته ای 2

162 فصل سوم : شکافت هسته ای ضريب تکثير موثر Ke تعيين خواهد کرد که واکنش زنجيره اي با آهنگي يکنواخت، افزاينده، يا کاهنده ادامه خواهد يافت. ضريب تکثير موثر بنا به تعريف عبارت است از نسبت آهنگ توليد نوترونها P به مجموع آهنگ جذب A و آهنگ نشت L نوترونها، يا فیزیک هسته ای 2

163 فصل سوم : شکافت هسته ای هنگامي که باشد، واکنش زنجيره اي شکافت بحراني يا يکنواخت خواهد بود وهنگامي که باشد، واکنش زنجيره اي افزاينده يا ابر بحراني و به هنگامي که باشد، واکنش ميرا يا زير بحراني خواهد بود. فیزیک هسته ای 2

164 فصل سوم : شکافت هسته ای اورانيوم غني سازي شده :
براي بعضي از انواع راکتورها دستيابي به شرايط بحراني مستلزم کاربرد اورانيم غني شده است. مهم ترين مثال، راکتور آب تحت فشار است که به اورانيم غني شده با 2 تا 3 درصد نياز دارد. فیزیک هسته ای 2

165 فصل سوم : شکافت هسته ای فرايند غني سازي اورانيم شامل جدا سازي نسبي و است تا غلظت در محصول بيش از غلظت آن در اورانيم طبيعي بشود. در مقياس تجارتي، دو فرايند براي غني سازي اورانيم وجود دارد. فیزیک هسته ای 2

166 فصل سوم : شکافت هسته ای در هر دوي اين فرايندها اورانيم طبيعي به ترکيب گازي هگزافلوريد اورانيم ، تبديل مي شود و دو ايزوتوپ طبيعي اورانيم دو گاز توليد مي کنند که جرم مولکولي آنها کمي با هم فرق دارد. فیزیک هسته ای 2

167 فصل سوم : شکافت هسته ای انواع راکتورها :
اولين و شايد مهمترين رده بندي اصلي آن است که به چه منظوري راکتور مورد استفاده قرار مي گيرد. تقريباًً مي توان سه گروه را تعريف کرد: 1- راکتور توليد قدرت، 2- راکتور تحقيقاتی، و 3- راکتور تبديل. فیزیک هسته ای 2

168 فصل سوم : شکافت هسته ای راکتورهاي قدرت:
این راکتورها براي استخراج انرژي جنبشي شکافت-پاره ها که به صورت گرما ظاهر مي شود طرح ريزي شده اند و در آنها انرژي گرمايي به صورت انرژي الکتريکي در مي آيد. مثلا اين عمل از طريق جوشاندن آب و هدايت بخار حاصل به طرف توربين و گردش آن صورت مي گيرد. فیزیک هسته ای 2

169 فصل سوم : شکافت هسته ای بنابراين در طراحي راکتورهاي قدرت به جزئيات ترموديناميکي بازده ماشينهاي گرمايي به همان اندازه بايد توجه کرد که به مسائل مهندسي هسته اي آن. هزينه مجتمع سوخت کسر نسبتاً کوچکي از هزينه يک راکتورقدرت را تشکيل مي دهد، زيرا اکثر هزينه هاي راکتور به حفاظ و محفظه نگهداري و وسايل توليد الکتريسيته مربوط مي شود. فیزیک هسته ای 2

170 فصل سوم : شکافت هسته ای بنابراين ساخت راکتورهاي قدرت بزرگ از نظر اقتصادي مقرون به صرفه است. مثلا ساختن ده راکتور که قدرت هر يک برابر MW100 باشد، خيلي پر هزينه تر از يک راکتور تنها با توان MW1000 است. فیزیک هسته ای 2

171 فصل سوم : شکافت هسته ای راکتورهاي تحقيقاتي :
معمولا براي ايجاد نوترون و به منظور تحقيق در زمينه هايي نظير فيزيک هسته اي يا فيزيک حالت جامد طراحي مي شوند. اين راکتورها عموما در سطح قدرت پايين در گستره MW10-1، کار مي کنند. فیزیک هسته ای 2

172 فصل سوم : شکافت هسته ای ويژگيهاي طراحي اساسي راکتورهاي تحقيقاتي مي تواند شامل اين موارد باشد: شار زياد نوترون ، در حدود سهولت در دسترسي به نوترونها ،و کيفيت خوب طيف نوترون فیزیک هسته ای 2

173 فصل سوم : شکافت هسته ای راکتور مبدل:
راکتوري است که با کارايي زياد ماده غير قابل شکافت با نوترونهاي گرمايي را به ماده شکافت پذير با اين نوترونها تبديل مي کند.مشخصاً مبدلهايي که معمولا به کار مي روند عبارت اند از راکتورهايي که را به و را به تبديل مي کنند. فیزیک هسته ای 2

174 فصل سوم : شکافت هسته ای طبقه بندي راكتورهاي هسته اي قدرت بر اساس نوع سوخت , کند کننده و سرد كننده اي كه در آنها استفاده مي شود صورت مي پذيرد. در حال حاضر پنج نوع مختلف راكتور هسته اي قدرت وجود دارد كه عبارتند از: فیزیک هسته ای 2

175 فصل سوم : شکافت هسته ای 1- راكتورهاي آب سبك: (LWR)
در اين راكتورها كه متداولترين نوع راكتور در سطح جهان هستند از آب معمولي كاملا تصفيه شده هم به عنوان کند کننده و هم خنك كننده استفاده مي شود. اين ركتورها خود نيزبه دو نوع (PWR ) و (BWR) طبقه بندي مي شوند. فیزیک هسته ای 2

176 فیزیک هسته ای 2

177 فصل سوم : شکافت هسته ای 1-1راكتور آب تحت فشار (PWR) :
همانطور كه در شكل(الف) مشاهده مي شود اين راكتور از دوقسمت مجزا تشكيل شده است كه درحقيقت شامل دومدار جريان آب جداگانه است . فیزیک هسته ای 2

178 شكل(الف) فیزیک هسته ای 2

179 اجزای راکتور آب تحت فشار
1- ديگ راكتور2- اجزاي سوخت 3- ميله هاي كنترل سوخت.4-جلوبر ميله هاي كنترل سوخت. 5- فشارافزا. 6- مولدبخار .7- پمپ اصلي مدار. 8– انتقال دهنده بخار0 9- تغذيه كننده آب- 10- مولد فشار بالا. 11- مولد فشار پايين0 12 –ژنراتور0 13- استارتر چگالنده. 15- خنك كننده آب. 16- پمپ تغذيه كننده آب. 17- پيش گرم كننده آب حفاظ بتوني پمپ خنك كننده آب. فیزیک هسته ای 2

180 فصل سوم : شکافت هسته ای درمداراوليه كه در شكل با رنگ آبي تيره نمايش داده شده است (قسمتهاي 1تا 5شكل الف) آب بطور پيوسته در فشار ثابت بسيار بالايي( حدودا بين bar 120 تا 160) نگه داشته مي شود . اين عمل باعث مي شودتا دماي آب بدون رسيدن به نقطه ي جوش بالا رود. فیزیک هسته ای 2

181 فصل سوم : شکافت هسته ای هنگامي كه فشار در ديگ كاهش مي يابد بوسيله ي يك گرمكن الكتريكي دماي فشار افزا ( قسمت 5 شكل) ودرنتيجه فشارآن افزايش مي يابد تا آب به فشار اوليه برگردد. واگر فشار افزايش يابد مقداري اب سردخنك كننده به فشار افزا تزريق مي شود تا با كاهش دما فشار آن را دوباره كاهش دهد. فیزیک هسته ای 2

182 فصل سوم : شکافت هسته ای مدار اوليه حرارتش را از طريق لوله هاي خميده كوچكي به مدار ثانويه جريان آب در مولد بخار(قسمت 6شكل) منتقل كرده وسرد مي شود ودوباره با دماي پايين تري به ديگ راكتور بر مي گردد. با اين انتقال حرارت آب در مولد بخار به جوش آمده وبه بخار تبديل مي شود. فیزیک هسته ای 2

183 فصل سوم : شکافت هسته ای بخار ايجاد شده به توربين فشار بالا(قسمت10) وفشار پايين (قسمت11) ودرنهايت سبب چرخش ژنراتور(قسمت13) و توليد الكتريسيته مي گردد. بخار پس از عبور از توربين سرد شده ودر چگالنده به مايع تبديل مي شود پس از آن بوسيله ي پمپ(قسمت 16) مجددا و با عبوراز پيش گرم كننده دوباره به مولد بخار بر مي گردد. فیزیک هسته ای 2

184 فصل سوم : شکافت هسته ای چون آب دومدار اوليه وثانويه معمولا با هم مخلوط نمي شونداز انتقال آب آلوده به مواد راديو اكتيوبه محيط خارج از راكتور نيز جلوگيري به عمل مي آيد. معمولا سوخت اين نوع راكتورها اكسيد اورانيوم 3تا4 درصد غني شده است . فیزیک هسته ای 2

185 فصل سوم : شکافت هسته ای در راكتور هاي PWR امروزي فشار آب در مدار اوليه معمولا بين 120 تا 160 بار مي باشد به گونه اي كه دمادر خنك كننده چيزي در حدود 300تا 320 درجه سليسيوس است . نزديك به 64% انرژي هسته اي جهان توسط اين نوع راكتورها تامين مي شود. فیزیک هسته ای 2

186 فصل سوم : شکافت هسته ای 1-2راكتور آب جوش (BWR ) :
در يك راكتور آب جوش , آب سبك (H2O ) نقش کند کننده و سرد كننده را ايفا مي كند (شکل ب). قسمتي از آب مي جوشد ,دور از ميله هاي فشار راكتور , سپس يك مخلوط آب و بخار هسته راكتور را ترك مي كند . فیزیک هسته ای 2

187 (شکل ب ) فیزیک هسته ای 2

188 فصل سوم : شکافت هسته ای در يك راكتور آب جوش , آب سبك (H2O ) نقش مدراتور و سرد كننده را ايفا مي كند. قسمتي از آب مي جوشد ,دور از ميله هاي فشار راكتور , سپس يك مخلوط آب و بخار هسته راكتور را ترك مي كند. بخار هدايت شده مستقيما به توربين مي رود . فیزیک هسته ای 2

189 فصل سوم : شکافت هسته ای بنابراين بخار و رطوبت بايد جدا باشد ( آبي كه از بخار مي چكد مي تواند به لبه هاي توربين آسيب بزند ) بخاري كه توربين را ترك مي كند در يك متراكم كننده , متراكم مي شود وسپس بعد از دوباره گرم كردن به راكتور بر مي گردد . فیزیک هسته ای 2

190 فصل سوم : شکافت هسته ای آبي كه در ميله هاي راكتور تبخير نشده است در ته ميله ها جمع مي شود و باآب پمپاژ شده ي برگشت داده شده مخلوط مي گردد . از زماني كه عمل جوشاندن در راكتورها شروع مي شود فشار از PWR ها كمتر مي شود (در حدود 60 تا70 بار ) . سوخت این نوع راکتورعموما دي اكسيد اورانيوم است . فیزیک هسته ای 2

191 فصل سوم : شکافت هسته ای غني سازي سوخت تازه معمولا پايين تراز PWR هاست . فايده اين نوع در اين است كه ساده ترين ساختار را دارد و ساختن آن هزينه كمتري دارد. 5/22% از كل انرژي كه در حال حاظر در فعاليت هسته اي Power Plant در حال انجام است توسط BWR تامين مي شود . فیزیک هسته ای 2

192 فصل سوم : شکافت هسته ای 2- راكتورهاي آب سنگين: (HWR)
دراين راكتورها از آب سنگين (D2O)هم به عنوان کند کننده و هم خنك كننده استفاده مي شود. مزيت بزرگ آن از اين واقعيت سرچشمه مي گيرد كه آب سنگين يك مايع گران قيمت است و ارزش آن بالاست , كه بهترين مدراتور است . فیزیک هسته ای 2

193 شكل(پ( فیزیک هسته ای 2

194 فصل سوم : شکافت هسته ای بنابراين , سوخت HWR ها مي تواند تاحدودي (1تا 2%) ازاورانيوم غني شده يا حتي اورانيوم طبيعي باشد. آب سنگين نبايد جوشانده شود , بنابراين بايد همانند PWR ها در جريان اول با فشار زياد موجود باشد . فیزیک هسته ای 2

195 فصل سوم : شکافت هسته ای نماينده اصلي راكتور نوع آب سنگين راكتور CANDU كانادايي است در اين راكتورها سرد كننده ومدراتور مخصوصا جدا هستند . کند کننده در يك تانك بزرگ ( كالاندريا ) قرار دارد , كه درآن لوله هاي فشار كه مجتمع سوخت را احاطه كرده است وجود دارد . فیزیک هسته ای 2

196 راكتور CANDU فیزیک هسته ای 2

197 فصل سوم : شکافت هسته ای سرد كننده فقط در اين لوله ها جريان دارد . فايده اين طراحي اين است كه به تمام تانك نياز ندارد زير فشار زياد باشد فقط كافي است به سرد كننده كه در لوله ها جريان دارد فشار آوريم . اين آرايش لوله ها ي تحت فشار راكتور ناميده مي شود گرم شدن مدراتور خيلي كمتراز سرد كننده است . فیزیک هسته ای 2

198 فصل سوم : شکافت هسته ای 3- راكتورهايي كه با گاز خنك مي شوند (GCR) :
کند کننده اين راكتورها گرافيت ، خنك كننده آنها گاز دي اكسيدكربن و سوخت مصرفي آنها اورانيم طبيعي است كه در درون پوششي بنام مگناكس (اكسيد منيزيم) قرار دارد اين به قديمي ترين انواع راكتور برمي گردد. فیزیک هسته ای 2

199 راكتور (GCR) فیزیک هسته ای 2

200 فصل سوم : شکافت هسته ای 4- راكتورهايي كه دماي بسيار زياد توليد مي كنند (HTGR): کند کننده اين قبيل راكتورها گرافيت، خنك كننده آنها گاز هليم و سوخت مصرفي آنها اورانيم 93% غني شده اورانيوم 235 است وجديدترين نوع را كتورهايي كه با گاز سرد مي شوند مي باشند. در اين راكتورها دماي سرد كنندهاي به اندازه 950 درجه سانتيگراد مي تواند به دست آيد. فیزیک هسته ای 2

201 فصل سوم : شکافت هسته ای 4-1 راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا : (HTR)
این راکتورها می‌توانند 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. فیزیک هسته ای 2

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 می‌شود، در تجمعی از گرافیت و ذرات قابل شکافت به دمای کمتر از 1300 درجه سانتیگراد برده می‌شوند. فیزیک هسته ای 2

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 می‌توانند الکتریسیته، آب گرم ، بخار آب تولید کنند و در آینده دور می‌توان از آن به هیدروکربورها یا به توسط واکنشهای داخلی هیدروژن تولید کرد و بخشی از مسئله نفت را حل کرد. فیزیک هسته ای 2

204 فصل سوم : شکافت هسته ای 4-2 راكتورهاي با دماي بالاي توريوم (THTR) : راكتورهاي دماي بالاي با سوخت توريوم يك نوع مخصوص از راكتورهاي با گاز سرد شونده است. فقط يكي از اين نوع بين سالهاي در آلمان تا كنون كار كرده است. قدرت گرمايي راكتور MW760 بود. فیزیک هسته ای 2

205 راكتور (THTR) فیزیک هسته ای 2

206 راكتور (THTR) فیزیک هسته ای 2

207 فصل سوم : شکافت هسته ای راكتور RBMK
RBMK يك نوع راكتور منحصر به فرد است : کند کننده آن گرافيت است ( از اين جنبه شبيه به AGRs است) .سرد كننده آب سبك در حال جوش است ( شبيه به مورد BWRs ) , علاوه بر اين , اين راكتور يك لوله فشار دارد ( مانند CANDUs ). اولين راكتور هسته اي Power plant جهان يك RBMK بود. فیزیک هسته ای 2

208 راكتور RBMK فیزیک هسته ای 2

209 فصل سوم : شکافت هسته ای 5- راكتورهاي زاياي سريع : (FBR) سوخت اين راكتورها اورانيم 93% غني شده يا پلوتونيم است . اين دسته از راكتورها به ميزاني بيشتر از سوخت مصرفيشان ماده شكاف پذير توليد مي كنند (به همين دليل به نام راكتورهاي “زايا” معروفند). آنها کند کننده ندارند و ماده خنك كننده آنهانيز بيشتر يك فلز مايع مانند سديم مايع مي باشد. فیزیک هسته ای 2

210 راكتور (FBR) فیزیک هسته ای 2

211 فصل سوم : شکافت هسته ای معيارهاي مقايسه و انتخاب موادراکتورعبارتند از : 1- خواص مکانيکي خوب شامل (هرجا لازم باشد) رسانندگي گرمايي، گرماي ويژه ، چگالي، استحکام، نرمي، نقطه ذوب يا نقطه جوش بالا و ضريب انبساط پايين. 2- سطح مقطع جذب پايين نوترون براي همه مواد درون قلب جز سوخت و ميله هاي کنترل (وسموم قابل سوخت, در صورت استفاده از آنها) . فیزیک هسته ای 2

212 فصل سوم : شکافت هسته ای 3- پايداري شيميايي همه مواد دردماها و فشارهاي راکتور. عدم وجود خطر اکسايش، تجزيه، انفجار يا واکنشهاي شيميايي ديگر. 4- عدم وجود تغيير فازهاي متالوژيکي در دماهاي عملياتي که ممکن است منجر به تغييرات ابعادي شوند. فیزیک هسته ای 2

213 5- مقاوت در برابر آسيب ناشي از تابش در طول عمر مواددرون راکتور.
فصل سوم : شکافت هسته ای 5- مقاوت در برابر آسيب ناشي از تابش در طول عمر مواددرون راکتور. 6- دسترس پذيري آسان و ارزان نوع خالص، سادگي ساخت و سمي نبودن مواد انتخابي . فیزیک هسته ای 2

214 فصل سوم : شکافت هسته ای انواع سوخت راکتور عبارتند از: اورانيم :
اورانيم، در شکلهاي مختلف متداول ترين ماده سوخت براي راکتورهاي هسته اي است. (در مقايسه با اورانيم، کاربرد توريم و پلوتونيم خيلي محدودتر است.) اورانيم را مي توان به صورت خالص، يعني اورانيم فلزي، يا به صورت ترکيب مثل اکسيد اورانيم و يا کربور اورانيم به کار برد. فیزیک هسته ای 2

215 فصل سوم : شکافت هسته ای پلوتونيم :
چون فلز پلوتونيم خالص تا رسيدن به نقطه ذوب ، داراي تعداد زيادي فاز بلوري است، سوخت مناسب براي راکتور نمي باشد. رسانندگي گرمايي آن نيز خيلي پايين حدود W/Mk4.2در دماي اتاق است. فیزیک هسته ای 2

216 فصل سوم : شکافت هسته ای فلز پلوتونيم در هواي مرطوب خيلي فعال است. اما مي توان آن را در هواي خشک ودماي پايين انبار کرد. پلوتونيم به علت اينکه پرتوزا، سمي و ماده اصلي سلاحهاي هسته اي است، ماده خيلي خطرناکي مي باشد. فیزیک هسته ای 2

217 فصل سوم : شکافت هسته ای توريم :
به جز درچند راکتور با خنک کننده گازي دما-بالا، توريم تا کنون به عنوان سوخت راکتور کاربرد زيادي نداشته است. توريم 232 ايزوتوپ باروري است که از آن اورانيم 233توليد مي شود و از جنبه نظري مي توان با استفاده از اين ترکيب در راکتورهاي حرارتي و سريع به نسبتهاي زايش بالايي دست يافت. فیزیک هسته ای 2

218 فصل سوم : شکافت هسته ای كند كننده ها :
ويژگيهاي لازم براي كند كننده راكتورهاي حرارتي، يعني عدد جرمي پايين، سطح مقطع جذب نوترون خيلي پايين، و سطح مقطع پراكندگي بالا گزينش را به چند ماده محدود مي كنند. هيدروژن وایزوتوپ ان دوتريم، كربن و برليم تنها عناصري هستند كه براي كندكنندگي مناسب اند. فیزیک هسته ای 2

219 فصل سوم : شکافت هسته ای آب :
آب، يك انتخاب بديهي براي كند كننده راكتورهاي حرارتي است، و مي تواند به عنوان خنك كننده هم به كار رود.آب از نظر كند كنندگي نوترون داراي خواص بسيار خوبي است كه باعث مي شوند راكتورهاي با خنك كننده آب داراي قلب بسيار كوچك تري نسبت به ساير راكتورها باشند. فیزیک هسته ای 2

220 فصل سوم : شکافت هسته ای سطح مقطع جذب آب نسبتاً بالا است (0.66بارن بر مولكول) بطوريكه راكتورهاي با خنك كننده و كند كننده آب براي بحراني شدن نياز به اورانيم غني شده دارند. البته آب فراوان و ارزان است و به راحتي با خلوص بالا تهيه مي شود. فیزیک هسته ای 2

221 فصل سوم : شکافت هسته ای آب سنگين :
بسياري از خواص فيزيكي و ترموديناميكي آب سنگين شبيه آب معمولي است. فرق اساسي آب سنگين با آب معمولي در اين است كه دو تريم سطح مقطع جذب خيلي كمتري نسبت به هيدروژن دارد و سطح مقطع جذب آب سنگين فقط بارن است. اما دوتريم از حيث كندكنندگي به خوبي هيدروژن نيست. فیزیک هسته ای 2

222 فصل سوم : شکافت هسته ای در نتيجه، راكتورهايي كه با اب سنگين خنك و كند مي شوند از اورانيم طبیعي به عنوان سوخت استفاده مي كنند، اما ابعاد قلب آنها بزرگتر از قلب راكتورهايي است كه با آب معمولي كند مي شوند. فرق مهم ديگر، اين است كه توليد آب سنگين از طريق جداسازي آن از آب معمولي خيلي گران است، و اتلاف آن در اثر نشت بايد به حداقل رسانده شود. فیزیک هسته ای 2

223 فصل سوم : شکافت هسته ای گرافيت :
اولين راكتور هسته اي دنيا، CP-1 (پيل 1 شيكاگو) با گرافيت كند مي شد، و با وجوديكه پس از آن از اين ماده در راكتورهاي تجارتي آمريكا استفاده نشده است، در راكتورهاي بريتانيا به نحو گسترده اي مورد استفاده قرار گرفته است. فیزیک هسته ای 2

224 فصل سوم : شکافت هسته ای ويژگيهاي هسته اي اين ماده مثل قدرت كند كنندگي و سطح مقطع جذب به خوبي ويژگيهاي آب سنگين نيستند، اما نوع خالص آن را به آساني مي توان با قيمت مناسبي تهيه كرد و به خوبي قابل ماشين كاري است. خواص ساختاري و گرمايي آن خوب است اما در دماهاي بالا با آب و هوا تركيب مي شود. فیزیک هسته ای 2

225 فصل سوم : شکافت هسته ای قلبهاي گرافيتي راكتور از اجتماع تعداد زيادي (چند هزار) بلوك مکعب مستطيلي شكل كه در آنها سوراخهايي براي عناصر سوخت و ميله هاي كنترل تعبيه شده است، به وجود مي آيند. اثر تابش طولاني مدت نوترون بر گرافيت خيلي مهم است، زير اين تابش باعث تغييرات ابعادي و انباشت انرژي ذخيره شده در ساختار بلوري مي شود فیزیک هسته ای 2

226 فصل سوم : شکافت هسته ای خنك كننده ها :
هر خنك كننده راكتور هسته اي بايد داراي شرايط اصلي زير باشد : 1- خواص ترموديناميكي خوب، يعني رسانندگي گرمايِ، چگالي، و كرماي ويژه بالا، و چسبندگي پايين. 2- عدم بر هم كنش شيميايي با قسمتهاي ديگر راكتور. فیزیک هسته ای 2

227 فصل سوم : شکافت هسته ای 3- سطح مقطع جذب نوتروني خيلي پايين.
4- پرتوزا نشدن در اثر واكنشهاي كه ممكن است هنگام عبور خنك كننده از قلب راكتور رخ بدهد. در ميان خنك كننده هاي گازي، برخي را مي توان به دلايلي حذف كرد. فیزیک هسته ای 2

228 ازت داراي سطح مقطع جذب قابل ملاحظه اي1.8( بارن) است.
فصل سوم : شکافت هسته ای اكسيژن و هيدروژن هر دو از نظر شيميايي فعال اند، و حتي هيدروژن ممكن است ايجاد انفجار هم بكند. ازت داراي سطح مقطع جذب قابل ملاحظه اي1.8( بارن) است. هوا كه مخلوطي از اكسيژن و ازت است را نيز مي توان حذف كرد. فیزیک هسته ای 2

229 فصل سوم : شکافت هسته ای اكسيژن 16 با نوترونهاي انرژي بالا (مثلا نوترونهاي شكافت) دستخوش واكنش (n,p) شده ازت 16 توليد مي كند كه پرتوزا است، اما نيم عمر آن فقط 7 ثانيه است، بطوريكه خطر پرتوزايي، كوتاه-عمر است. مهم ترين خنك كننده هاي گازي دي اكسيد كربن و هليم مي باشند. فیزیک هسته ای 2

230 فصل سوم : شکافت هسته ای دي اكسيد كربن گاز است تقريباً غیر قابل بر هم كنش، اما در دماهاي بالا با گرافيت و بعضي از انواع فولاد تركيب مي شود. هليوم گازي است بي اثر، داراي خواص ترموديناميكي خوب و خطر تابش هم ايجاد نمي كند، بنابراين ظاهرا مي توان آن را به عنوان خنك كننده ايده آل راكتورهاي گازي تلقي كرد. فیزیک هسته ای 2

231 فصل سوم : شکافت هسته ای فلزات مايع:
به دليل خواص ترموديناميكي خوبشان، بخصوص رسانندگي گرمايي بالاي آنها كه منجر به ضرايب انتقال گرماي خيلي خوبي مي شود، خنك كننده هاي بالقوه خيلي خوبي براي راكتورها هستند. سديم، ليتيم، جيوه و آلياژهاي سديم-پتاسيم همه امكانهاي قابل توجهي هستند. فیزیک هسته ای 2

232 فصل سوم : شکافت هسته ای اما از اين ميان اينها فقط سديم به مقدار قابل ملاحظه اي، منحصراً در راكتورهاي سريع زاينده، مورد استفاده قرار گرفته است. آلياژهاي سديم-پتاسيم هم ممكن است مورد استفاده بيشتري قرار بگيرند. فیزیک هسته ای 2

233 فصل سوم : شکافت هسته ای جيوه، خيلي گران و سمي است، مضافاً اينكه سطح مقطع جذب آن بالاتر از آن است كه بتوان آن را در راكتورهاي حرارتي به كار برد. ليتيم از بسياري جهات شبيه سديم است، اما داراي نقطه ذوب خيلي بالاتري است و گران تر نيز هست. فیزیک هسته ای 2

234 فصل سوم : شکافت هسته ای بمبهای شکافتی
هرگاه آزاد سازی انرژی یک مجموعه ابر بحرانی Pu یا 235U که به طور نمایی افزایش می یابد، بدون کنترل ادامه پیدا کند، بزودی با یک وضعیت شدیدا ناپایدار روبه رو خواهیم شد. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

237 دو نوع بمب شکافتی فیزیک هسته ای 2

238 طرح پایین از نوع بمب انفجار داخلی است.
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. فیزیک هسته ای 2

239 بمب اتمی معروف به مرد چاق
فیزیک هسته ای 2

240 یک انفجار هسته ای فیزیک هسته ای 2

241 اثرات بمبهای هسته ای را در چند دسته می توان خلاصه کرد: 1- موج انفجار
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 فیزیک هسته ای 2

242 بمباران اتمی هیروشیما فیزیک هسته ای 2

243 سلاحهای هسته ای فیزیک هسته ای 2

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 = فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

247 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
فیزیک هسته ای 2

248 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
جت شدگی تکانه زاویه ای پروتون – نوترون در 38Cl و 50Sc فیزیک هسته ای 2

249 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

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 = x 10-8 eV/T فیزیک هسته ای 2

252 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
و با قرار دادن جرم الکترون، مگنتون بور μB حاصل می شود: μB = eħ/2me = x 10-5 eV/T فیزیک هسته ای 2

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 فیزیک هسته ای 2

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) ] فیزیک هسته ای 2

255 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
جمع تکانه های زاویه ای مداری و اسپینی برای حالت L = 1 و s = 1/2 فیزیک هسته ای 2

256 فیزیک هسته ای 2

257 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

259 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

261 فیزیک هسته ای 2

262 فیزیک هسته ای 2

263 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
مدل برداری برای جمع تکانه های زاویه ای و ، گشتاورهای مغناطیسی فیزیک هسته ای 2

264 فیزیک هسته ای 2

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. فیزیک هسته ای 2

266 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
فیزیک هسته ای 2

267 فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای
فیزیک هسته ای 2