فیزیک هسته ای ۲

فیزیک هسته ای ۲

اسلاید 1: فیزیک هسته ای 21فیزیک هسته ای 23 واحد درسیتالیف : دکتر سعید محمدیدانشیار فیزیک هسته ای دانشگاه پیام نورتابستان 1385

اسلاید 2: فیزیک هسته ای 22فیزیک هسته ای 2این 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.

اسلاید 3: فیزیک هسته ای 23رئوس مطالبمقدمهفصل اول: نیروی بین نوکلئونهافصل دوم : واکنشهای هسته ایفصل سوم : شکافت هسته ایفصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای

اسلاید 4: فیزیک هسته ای 24مراجع1- آشنایی با فیزیک هسته ای، کنت کرین، ترجمه ناصر میر فخرایی و مجید مدرس، مرکز نشر دانشگاهی، 13732- فيزيك جديد، كنت اس كرين، ترجمه رهبر، معلمى، مركز نشر دانشگاهي، 1379 .3- فيزيك نوين، هانس اهانيان – ترجمه پاشايي راد و معلمی، کتاب ماد، 1372.

اسلاید 5: فیزیک هسته ای 25مقدمه 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.

اسلاید 6: فیزیک هسته ای 26مقدمهتعداد 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.

اسلاید 7: فیزیک هسته ای 27مقدمهايزوتوپ 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.

اسلاید 8: فیزیک هسته ای 28مقدمه 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 :

اسلاید 9: فیزیک هسته ای 29مقدمهجرم 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.

اسلاید 10: فیزیک هسته ای 210 جرم های اتمی (u) بعضی از ایزوتوپها

اسلاید 11: فیزیک هسته ای 211مقدمهجرم 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.

اسلاید 12: فیزیک هسته ای 212جرم و بار پروتون ، نوترون و الکترون

اسلاید 13: فیزیک هسته ای 213مقدمهبار الکتريکي پروتون و الکترون برابر و علامت آنها مخالف يکديگر است. مقدار اين بار، که بار الکتروني معروف است، عبارت از کولن است .

اسلاید 14: فیزیک هسته ای 214مقدمهيکاي 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 = 1.602 X10-19 J

اسلاید 15: فیزیک هسته ای 215مقدمه 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 .

اسلاید 16: فیزیک هسته ای 216مقدمهرابطه بين انرژي بستگي B ، بر حسب MeV ، وکاستي جرم، بر حسب U،به صورت زیر است:انرژی بستگی=502/931 کاستی جرم

اسلاید 17: فیزیک هسته ای 217مقدمهنيروهاي 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.

اسلاید 18: فیزیک هسته ای 218مقدمهبنابراين، 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.

اسلاید 19: فیزیک هسته ای 219مقدمه 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.

اسلاید 20: فیزیک هسته ای 220مقدمههسته 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.

اسلاید 21: فیزیک هسته ای 221مقدمهحالتهاي 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 .

اسلاید 22: فیزیک هسته ای 222مقدمهدر 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.

اسلاید 23: فیزیک هسته ای 223مقدمهبه 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.

اسلاید 24: فیزیک هسته ای 224مقدمههسته 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.

اسلاید 25: فیزیک هسته ای 225فصل اول: نیروی بین نوکلئونهابعضی 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.

اسلاید 26: فیزیک هسته ای 226فصل اول: نیروی بین نوکلئونها3- 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.

اسلاید 27: فیزیک هسته ای 227فصل اول: نیروی بین نوکلئونها6- 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.

اسلاید 28: فیزیک هسته ای 228فصل اول: نیروی بین نوکلئونهادوترون 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.

اسلاید 29: فیزیک هسته ای 229فصل اول: نیروی بین نوکلئونهادر 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.

اسلاید 30: فیزیک هسته ای 230فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاانرژی بستگی دوترونانرژی بستگی دوترون کمیتی است که با دقت زیادی اندازه گیری می شود و به سه روش قابل تعیین است:1- روش طیف نمایی2- روش اندازه گیری انرژی گامای گسیلی از واکنش 1H + n → 2H + γ

اسلاید 31: فیزیک هسته ای 231فصل اول: نیروی بین نوکلئونها3- روش تجزیه فوتونیγ + 2H → 1H + nدر هر سه روش، مقدار انرژی بستگی در حدود 224/2 MeV به دست می آید .

اسلاید 32: فیزیک هسته ای 232فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاپتانسیل نوکلئون – نوکلئون را به صورت یک چاه مربعی سه بعدی نشان می دهیم. معادله شعاعی برابر است با:

اسلاید 33: فیزیک هسته ای 233مدل گرافیکی برای حل معادله شرودینگر

اسلاید 34: فیزیک هسته ای 234فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاکه جرم کاهش یافته است.از کوانتوم (1) داریم :

اسلاید 35: فیزیک هسته ای 235فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاپارامترهای بکار رفته عبارتند از:

اسلاید 36: فیزیک هسته ای 236فصل اول: نیروی بین نوکلئونهامقادیر عمق چاه پتانسیل و شعاع دوترون عبارتند از:

اسلاید 37: فیزیک هسته ای 237فصل اول: نیروی بین نوکلئونهااسپین 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.

اسلاید 38: فیزیک هسته ای 238فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاالف - 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 .

اسلاید 39: فیزیک هسته ای 239فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاگشتاور دو قطبی مغناطیسی دوترونگشتاور دو قطبی مغناطیسی کل حاصل ترکیب گشتاورهای مغناطیسی نوترون و پروتون است و مقدار آن برابر است با:μ = 0.8574376 ± 0.0000004 μN

اسلاید 40: فیزیک هسته ای 240فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاگشتاور چهار قطبی الکتریکی دوتروننوترون 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

اسلاید 41: فیزیک هسته ای 241فصل اول: نیروی بین نوکلئونهاخواص نیروی هسته ای1- 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.

اسلاید 42: فیزیک هسته ای 242فصل اول: نیروی بین نوکلئونها4- 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.

اسلاید 43: فیزیک هسته ای 243فصل دوم : واکنشهای هسته ایهر 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.

اسلاید 44: فیزیک هسته ای 244فصل دوم : واکنشهای هسته ایدر 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.

اسلاید 45: فیزیک هسته ای 245فصل دوم : واکنشهای هسته ایبا 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.

اسلاید 46: فیزیک هسته ای 246فصل دوم : واکنشهای هسته ای1- طبقه بندی واکنشها از لحاظ انرژیالف-انرژی پایین : از مرتبه MeV 10 به ازای هر نوکلئونب- انرژی میانی : در گستره GeV1- MeV 100، تولید مزونی، تبدیل پروتونها و نوترونها به یکدیگرج- انرژی بالا : GeV1 < ، تولید انواع ذرات بنیادی، تغییر آرایش کوارکها

اسلاید 47: فیزیک هسته ای 247فصل دوم : واکنشهای هسته اییک واکنش هسته ای معمولا به شکل زیر نوشته می شود:X (a, b) Yکه در آن a پرتابه شتابدار، X هسته هدف (معمولا ساکن در آزمایشگاه)، و b و Y ، محصولات شکافت هستند.

اسلاید 48: فیزیک هسته ای 248فصل دوم : واکنشهای هسته ایعموما 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

اسلاید 49: فیزیک هسته ای 249فصل دوم : واکنشهای هسته ای2- طبقه بندی واکنشها از لحاظ نوع ذراتالف- 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.

اسلاید 50: فیزیک هسته ای 250فصل دوم : واکنشهای هسته ایب- 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.

اسلاید 51: فیزیک هسته ای 251فصل دوم : واکنشهای هسته ای3- 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.

اسلاید 52: فیزیک هسته ای 252فصل دوم : واکنشهای هسته ایمشاهده پذیرهاتکنیکهایی هستند که می توان انرژی ذرات خروجی را با دقت زیاد اندازه گیری کرد و عبارتند از:1- تعیین سطح مقطع جزئی و کلی2- انجام آزمایشهای قطبش3- آشکارسازی تابشهای گاما یا الکترونهای تبدیل و توزیع زاویه ای آنها.

اسلاید 53: فیزیک هسته ای 253فصل دوم : واکنشهای هسته ایقوانین پایستگیدر واکنشهای هسته ای این قوانین پایستگی کاربرد دارند:1 - انرژی کل2- تکانه خطی3- تکانه زایه ای4- عد پروتونی و عدد نوترونی5- پاریته

اسلاید 54: فیزیک هسته ای 254فصل دوم : واکنشهای هسته ایانرژی واکنشهای هسته ایطبق پایستگی انرژی نسبیتی کل، برای واکنش X (a, b) Y ، خواهیم داشت:Mxc2 + Tx + mac2 + Ta = mYc2 + TY + mbc2 + Tb

اسلاید 55: فیزیک هسته ای 255فصل دوم : واکنشهای هسته ایدر 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

اسلاید 56: فیزیک هسته ای 256فصل دوم : واکنشهای هسته ایمقدار Q ممکن است مثبت ، منفی یا صفر باشد.Q>0 ، واکنش گرما زا است.Q<0 ، واکنش گرما گیر است.

اسلاید 57: فیزیک هسته ای 257فصل دوم : واکنشهای هسته ایبرای 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)]

اسلاید 58: فیزیک هسته ای 258فصل دوم : واکنشهای هسته ایهرگاه واکنش به حالتهای برانگیخته Y منجر شود، معادله مقدار Q برابر است با:Qex = Qo – Eexکه در آن Qo مربوط به حالت پایه است.

اسلاید 59: فیزیک هسته ای 259فصل دوم : واکنشهای هسته ایهمانطور 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.

اسلاید 60: فیزیک هسته ای 260فصل دوم : واکنشهای هسته ایانتخاب 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.

اسلاید 61: فیزیک هسته ای 261فصل دوم : واکنشهای هسته ایبه 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.

اسلاید 62: فیزیک هسته ای 262فصل دوم : واکنشهای هسته ای

اسلاید 63: فیزیک هسته ای 263فصل 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.

اسلاید 64: فیزیک هسته ای 264فصل دوم : واکنشهای هسته ایدر 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.

اسلاید 65: فیزیک هسته ای 265فصل دوم : واکنشهای هسته ایواکنشهای 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.

اسلاید 66: فیزیک هسته ای 266فصل دوم : واکنشهای هسته ای

اسلاید 67: فیزیک هسته ای 267فصل دوم : واکنشهای هسته ایمثال 1مقدار Q واکنش زیر را به دست آوریدP + 7Li → 4He + 4Heو نوع واکنش از لحاظ گرمازا یا گرماگیر بودن را بیان کنید.

اسلاید 68: فیزیک هسته ای 268فصل دوم : واکنشهای هسته ایجواببا توجه به جرمهای اتمی ، جرم کل اولیه ذرات برابر است با:mi = 1.007825 u + 7.016003 u = 8.023828 uو جرم کل نهایی برابر است با:mf = 2(4.002602 u) = 8.005204 u

اسلاید 69: فیزیک هسته ای 269فصل دوم : واکنشهای هسته ایمقدار Q واکنش برابر است با:∆m = mi – mf = 8.023828 - 8.005204= 0.018624 uQ = (∆m) c2 = 0.018624 x 931.5 = 17.35 MeVچون Q>0، واکنش گرما زا است.

اسلاید 70: فیزیک هسته ای 270فصل دوم : واکنشهای هسته ایایزواسپیناستقلال از بار نیروهای هسته ای بدان معنی است که در اکثر حالات نیازی نداریم در فرمول بندی بین نوترونها و پروتونها تمایزی قائل شویم.

اسلاید 71: فیزیک هسته ای 271فصل دوم : واکنشهای هسته ایاین 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.

اسلاید 72: فیزیک هسته ای 272فصل دوم : واکنشهای هسته ایاین 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.

اسلاید 73: فیزیک هسته ای 273فصل دوم : واکنشهای هسته ایبه 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.

اسلاید 74: فیزیک هسته ای 274فصل دوم : واکنشهای هسته ایاگر 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

اسلاید 75: فیزیک هسته ای 275فصل دوم : واکنشهای هسته ایبرای 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.

اسلاید 76: فیزیک هسته ای 276فصل دوم : واکنشهای هسته ایمولفه 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.

اسلاید 77: فیزیک هسته ای 277فصل دوم : واکنشهای هسته ایبه 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).

اسلاید 78: فیزیک هسته ای 278فصل دوم : واکنشهای هسته ایدر 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،

اسلاید 79: فیزیک هسته ای 279فصل دوم : واکنشهای هسته ایدر 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.

اسلاید 80: فیزیک هسته ای 280فصل دوم : واکنشهای هسته ایمثال 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.

اسلاید 81: فیزیک هسته ای 281فصل دوم : واکنشهای هسته ای

اسلاید 82: فیزیک هسته ای 282فصل دوم : واکنشهای هسته ایحالتهای 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.

اسلاید 83: فیزیک هسته ای 283فصل دوم : واکنشهای هسته ایترازهای 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.

اسلاید 84: فیزیک هسته ای 284فصل دوم : واکنشهای هسته ایاعضای 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.

اسلاید 85: فیزیک هسته ای 285فصل دوم : واکنشهای هسته ایسطح مقطع های واکنشهرگاه 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

اسلاید 86: فیزیک هسته ای 286فصل دوم : واکنشهای هسته ایبرای 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.

اسلاید 87: فیزیک هسته ای 287فصل دوم : واکنشهای هسته ایروشهای تجربیمطالعه 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.

اسلاید 88: فیزیک هسته ای 288فصل دوم : واکنشهای هسته ایبرای 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

اسلاید 89: فیزیک هسته ای 289فصل دوم : واکنشهای هسته ای3- 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.

اسلاید 90: فیزیک هسته ای 290فصل دوم : واکنشهای هسته ای6- 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.

اسلاید 91: فیزیک هسته ای 291فصل 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.

اسلاید 92: فیزیک هسته ای 292فصل 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.

اسلاید 93: فیزیک هسته ای 293فصل دوم : واکنشهای هسته ای ج) آشكارسازهاي نوتروني، كه حاوي مقادير زيادي از تركيبات هيدروژني است.د) آشكارسازهاي جداكننده هسته‌هاي پس زده .

اسلاید 94: فیزیک هسته ای 294فصل دوم : واکنشهای هسته ایپراکندگی کولنیاز 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.

اسلاید 95: فیزیک هسته ای 295فصل دوم : واکنشهای هسته ایپراکندگی هسته ایپراکندگی 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.

اسلاید 96: فیزیک هسته ای 296فصل 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.

اسلاید 97: فیزیک هسته ای 297فصل دوم : واکنشهای هسته ایواكنشهاي هسته مركبدر واكنش هسته مركب، پرتابه‌اي با انرژي كمتر از 10 با هدفي برخورد و دستگاه مركب چرخشي داغي توليد مي‌كنند كه در آن انرژي فرودي بطور كاتوره‌اي بين تمام نوكلئونهاي دستگاه توزيع مي‌شود.

اسلاید 98: فیزیک هسته ای 298فصل دوم : واکنشهای هسته ایطول عمر يك هسته مركب معمولاً 19–10 تا 16–10 ثانيه قرار دارد كه در مقايسه با زمان 21- 10 ثانيه براي واكنشهاي مستقيم خيلي طولانيتر است. همين مقدار زمان براي رسيدن دستگاه به تعادل ترموديناميكي پيش از واپاشي, كافي است .

اسلاید 99: فیزیک هسته ای 299فصل دوم : واکنشهای هسته ایچون 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.

اسلاید 100: فیزیک هسته ای 2100فصل دوم : واکنشهای هسته ایبا 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.

اسلاید 101: فیزیک هسته ای 2101فصل دوم : واکنشهای هسته ایتبخير 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.

اسلاید 102: فیزیک هسته ای 2102فصل دوم : واکنشهای هسته ایچون 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.

اسلاید 103: فیزیک هسته ای 2103فصل دوم : واکنشهای هسته ایبراي ايجاد واكنش همجوشي، بايد كمينه انرژي جنبشي پرتابه برابر انرژي دافعه كولني باشد. مقدار تقريبي انرژي سدكولني برابر است با:

اسلاید 104: فیزیک هسته ای 2104فصل دوم : واکنشهای هسته اییک واکنش هسته مرکب به طور نمادی به صورت زیر نوشته می شود:a + X → C* → Y + bکه C* معرف هسته مرکب است.شكل بعد انواع مختلف واكنشهاي هسته‌اي را كه بستگي به پارامتر برخورد (b) دارد نشان مي‌دهد.

اسلاید 105: فیزیک هسته ای 2105فصل دوم : واکنشهای هسته ای

اسلاید 106: فیزیک هسته ای 2106فصل دوم : واکنشهای هسته ایبا 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.

اسلاید 107: فیزیک هسته ای 2107فصل دوم : واکنشهای هسته ایبه 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.

اسلاید 108: فیزیک هسته ای 2108فصل دوم : واکنشهای هسته ایضمنا می تواند به طرق مختلفی نظیر63Zn + n62Zn + 2n62Cu + p + nواپاشیده شود.

اسلاید 109: فیزیک هسته ای 2109یک واکنش هسته ای

اسلاید 110: فیزیک هسته ای 2110فصل دوم : واکنشهای هسته ایویژگیهای 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.

اسلاید 111: فیزیک هسته ای 2111فصل دوم : واکنشهای هسته ایواکنشهای مستقیمدر 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.

اسلاید 112: فیزیک هسته ای 2112فصل دوم : واکنشهای هسته ایپراکندگی 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.

اسلاید 113: فیزیک هسته ای 2113فصل دوم : واکنشهای هسته ایواکنش 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.

اسلاید 114: فیزیک هسته ای 2114فصل دوم : واکنشهای هسته ایاحتمال 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.

اسلاید 115: فیزیک هسته ای 2115فصل دوم : واکنشهای هسته اییکی 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.

اسلاید 116: فیزیک هسته ای 2116فصل دوم : واکنشهای هسته ایبرای 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.

اسلاید 117: فیزیک هسته ای 2117فصل دوم : واکنشهای هسته ایویژگیهای 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.

اسلاید 118: فیزیک هسته ای 2118 فصل سوم : شکافت هسته ایشکافت 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.

اسلاید 119: فیزیک هسته ای 2119 فصل سوم : شکافت هسته ایدر 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.

اسلاید 120: فیزیک هسته ای 2120 فصل سوم : شکافت هسته ایدليل 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.

اسلاید 121: فیزیک هسته ای 2121 فصل سوم : شکافت هسته ایتوليد 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.

اسلاید 122: فیزیک هسته ای 2122 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.

اسلاید 123: فیزیک هسته ای 2123 فصل سوم : شکافت هسته ای

اسلاید 124: فیزیک هسته ای 2124شکافت اورانیوم-235

اسلاید 125: فیزیک هسته ای 2125 فصل سوم : شکافت هسته ایگامي 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.

اسلاید 126: فیزیک هسته ای 2126 فصل سوم : شکافت هسته ایفرآيند 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.

اسلاید 127: فیزیک هسته ای 2127

اسلاید 128: فیزیک هسته ای 2128

اسلاید 129: فیزیک هسته ای 2129

اسلاید 130: فیزیک هسته ای 2130

اسلاید 131: فیزیک هسته ای 2131

اسلاید 132: فیزیک هسته ای 2132 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.

اسلاید 133: فیزیک هسته ای 2133 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.

اسلاید 134: فیزیک هسته ای 2134 فصل سوم : شکافت هسته ایاين 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 .

اسلاید 135: فیزیک هسته ای 2135 فصل سوم : شکافت هسته ایبخشي 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.

اسلاید 136: فیزیک هسته ای 2136 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 .

اسلاید 137: فیزیک هسته ای 2137 فصل سوم : شکافت هسته ایبه عنوان مثال ، واکنش زير يک شکافت نوعی است:

اسلاید 138: فیزیک هسته ای 2138 فصل سوم : شکافت هسته ایملاحظه 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.

اسلاید 139: فیزیک هسته ای 2139

اسلاید 140: فیزیک هسته ای 2140 فصل سوم : شکافت هسته ایهمچنين 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.

اسلاید 141: فیزیک هسته ای 2141 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.

اسلاید 142: فیزیک هسته ای 2142 فصل سوم : شکافت هسته ای

اسلاید 143: فیزیک هسته ای 2143 فصل سوم : شکافت هسته اینوترون 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 :

اسلاید 144: فیزیک هسته ای 2144 فصل سوم : شکافت هسته ایتوجه کنيد که عبارت بالا براي S(E) بهنجار شده است به طوري که

اسلاید 145: فیزیک هسته ای 2145 طیف انرژی نوترون شکافت

اسلاید 146: فیزیک هسته ای 2146 فصل سوم : شکافت هسته ایمتوسط انرژی نوترونهای شکافت از معادله به دست مي آيد وبرابر 1.93(MeV)است، اما معمولاً برابر MeV2 فرض مي شود.

اسلاید 147: فیزیک هسته ای 2147 فصل سوم : شکافت هسته ایسطح مقطع های شکافت القایی نوترون در اورانیوم 235 و 236.طیف انرژی نوترونهای گسیل شده از شکافت اورانیوم-235 بر ا ثر نوترونهای گرمایی.

اسلاید 148: فیزیک هسته ای 2148

اسلاید 149: فیزیک هسته ای 2149

اسلاید 150: فیزیک هسته ای 2150 فصل سوم : شکافت هسته ایسطح مقطع های شکافت با استفاده از نوترون گرمایی.انرژی های فعالسازی محاسبه شده نیز در ستون سمت راست نشان داده شده است.

اسلاید 151: فیزیک هسته ای 2151

اسلاید 152: فیزیک هسته ای 2152 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.

اسلاید 153: فیزیک هسته ای 2153 فصل سوم : شکافت هسته ایسيستمي 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.

اسلاید 154: فیزیک هسته ای 2154 فصل سوم : شکافت هسته ایفرمى 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.

اسلاید 155: فیزیک هسته ای 2155 فصل سوم : شکافت هسته ایدر 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 .

اسلاید 156: فیزیک هسته ای 2156 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.

اسلاید 157: فیزیک هسته ای 2157 فصل سوم : شکافت هسته ایراکتورهای 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.

اسلاید 158: فیزیک هسته ای 2158 فصل سوم : شکافت هسته ایراکتور 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 .

اسلاید 159: فیزیک هسته ای 2159 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.

اسلاید 160: فیزیک هسته ای 2160 فصل سوم : شکافت هسته ایبنابراين 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 :

اسلاید 161: فیزیک هسته ای 2161 فصل سوم : شکافت هسته ای1- 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 بردارد3- فرار نوترون از نمونه بدون گير افتادن

اسلاید 162: فیزیک هسته ای 2162 فصل سوم : شکافت هسته ایضريب 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

اسلاید 163: فیزیک هسته ای 2163 فصل سوم : شکافت هسته ایهنگامي 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.

اسلاید 164: فیزیک هسته ای 2164 فصل سوم : شکافت هسته ایاورانيوم 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.

اسلاید 165: فیزیک هسته ای 2165 فصل سوم : شکافت هسته ایفرايند 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.

اسلاید 166: فیزیک هسته ای 2166 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.

اسلاید 167: فیزیک هسته ای 2167 فصل سوم : شکافت هسته ایانواع 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.

اسلاید 168: فیزیک هسته ای 2168 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.

اسلاید 169: فیزیک هسته ای 2169 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.

اسلاید 170: فیزیک هسته ای 2170 فصل سوم : شکافت هسته ایبنابراين 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.

اسلاید 171: فیزیک هسته ای 2171 فصل سوم : شکافت هسته ایراکتورهاي 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.

اسلاید 172: فیزیک هسته ای 2172 فصل سوم : شکافت هسته ایويژگيهاي 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

اسلاید 173: فیزیک هسته ای 2173 فصل سوم : شکافت هسته ایراکتور 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.

اسلاید 174: فیزیک هسته ای 2174 فصل سوم : شکافت هسته ایطبقه 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:

اسلاید 175: فیزیک هسته ای 2175 فصل سوم : شکافت هسته ای1- 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.

اسلاید 176: فیزیک هسته ای 2176

اسلاید 177: فیزیک هسته ای 2177 فصل سوم : شکافت هسته ای1-1راكتور 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 .

اسلاید 178: فیزیک هسته ای 2178شكل(الف)

اسلاید 179: فیزیک هسته ای 2179اجزای 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 . 14- چگالنده. 15- خنك كننده آب. 16- پمپ تغذيه كننده آب. 17- پيش گرم كننده آب . 18- حفاظ بتوني 0 19- پمپ خنك كننده آب.

اسلاید 180: فیزیک هسته ای 2180 فصل سوم : شکافت هسته ایدرمداراوليه 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.

اسلاید 181: فیزیک هسته ای 2181 فصل سوم : شکافت هسته ایهنگامي 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.

اسلاید 182: فیزیک هسته ای 2182 فصل سوم : شکافت هسته ایمدار 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.

اسلاید 183: فیزیک هسته ای 2183 فصل سوم : شکافت هسته ایبخار 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.

اسلاید 184: فیزیک هسته ای 2184 فصل سوم : شکافت هسته ایچون 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 .

اسلاید 185: فیزیک هسته ای 2185 فصل سوم : شکافت هسته ایدر 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.

اسلاید 186: فیزیک هسته ای 2186 فصل سوم : شکافت هسته ای1-2راكتور 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 .

اسلاید 187: فیزیک هسته ای 2187(شکل ب )

اسلاید 188: فیزیک هسته ای 2188 فصل سوم : شکافت هسته ایدر 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 .

اسلاید 189: فیزیک هسته ای 2189 فصل سوم : شکافت هسته ایبنابراين 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 .

اسلاید 190: فیزیک هسته ای 2190 فصل سوم : شکافت هسته ایآبي 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 .

اسلاید 191: فیزیک هسته ای 2191 فصل سوم : شکافت هسته ایغني 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 .

اسلاید 192: فیزیک هسته ای 2192 فصل سوم : شکافت هسته ای2- 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 .

اسلاید 193: فیزیک هسته ای 2193شكل(پ(

اسلاید 194: فیزیک هسته ای 2194 فصل سوم : شکافت هسته ایبنابراين , 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 .

اسلاید 195: فیزیک هسته ای 2195 فصل سوم : شکافت هسته اینماينده 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 .

اسلاید 196: فیزیک هسته ای 2196راكتور CANDU

اسلاید 197: فیزیک هسته ای 2197 فصل سوم : شکافت هسته ایسرد 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 .

اسلاید 198: فیزیک هسته ای 2198 فصل سوم : شکافت هسته ای3- 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.

اسلاید 199: فیزیک هسته ای 2199راكتور (GCR)

اسلاید 200: فیزیک هسته ای 2200 فصل سوم : شکافت هسته ای4- 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.

اسلاید 201: فیزیک هسته ای 2201 فصل سوم : شکافت هسته ای4-1 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.

اسلاید 202: فیزیک هسته ای 2202 فصل سوم : شکافت هسته ایاین 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.

اسلاید 203: فیزیک هسته ای 2203 فصل سوم : شکافت هسته ایاین 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.

اسلاید 204: فیزیک هسته ای 2204 فصل سوم : شکافت هسته ای4-2 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 1985-1989 در آلمان تا كنون كار كرده است. قدرت گرمايي راكتور MW760 بود.

اسلاید 205: فیزیک هسته ای 2205راكتور (THTR)

اسلاید 206: فیزیک هسته ای 2206راكتور (THTR)

اسلاید 207: فیزیک هسته ای 2207 فصل سوم : شکافت هسته ایراكتور 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.

اسلاید 208: فیزیک هسته ای 2208راكتور RBMK

اسلاید 209: فیزیک هسته ای 2209 فصل سوم : شکافت هسته ای5- 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.

اسلاید 210: فیزیک هسته ای 2210 راكتور (FBR)

اسلاید 211: فیزیک هسته ای 2211 فصل سوم : شکافت هسته ایمعيارهاي 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) .

اسلاید 212: فیزیک هسته ای 2212 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.

اسلاید 213: فیزیک هسته ای 2213 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 .

اسلاید 214: فیزیک هسته ای 2214 فصل سوم : شکافت هسته ایانواع 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.

اسلاید 215: فیزیک هسته ای 2215 فصل سوم : شکافت هسته ایپلوتونيم :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.

اسلاید 216: فیزیک هسته ای 2216 فصل سوم : شکافت هسته ایفلز 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.

اسلاید 217: فیزیک هسته ای 2217 فصل سوم : شکافت هسته ایتوريم :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.

اسلاید 218: فیزیک هسته ای 2218 فصل سوم : شکافت هسته ایكند 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.

اسلاید 219: فیزیک هسته ای 2219 فصل سوم : شکافت هسته ایآب :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.

اسلاید 220: فیزیک هسته ای 2220 فصل سوم : شکافت هسته ایسطح 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.

اسلاید 221: فیزیک هسته ای 2221 فصل سوم : شکافت هسته ایآب 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 0.001 بارن است. اما دوتريم از حيث كندكنندگي به خوبي هيدروژن نيست.

اسلاید 222: فیزیک هسته ای 2222 فصل سوم : شکافت هسته ایدر 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.

اسلاید 223: فیزیک هسته ای 2223 فصل سوم : شکافت هسته ایگرافيت :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.

اسلاید 224: فیزیک هسته ای 2224 فصل سوم : شکافت هسته ایويژگيهاي 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.

اسلاید 225: فیزیک هسته ای 2225 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

اسلاید 226: فیزیک هسته ای 2226 فصل سوم : شکافت هسته ایخنك 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.

اسلاید 227: فیزیک هسته ای 2227 فصل سوم : شکافت هسته ای3- 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.

اسلاید 228: فیزیک هسته ای 2228 فصل سوم : شکافت هسته ایاكسيژن 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.

اسلاید 229: فیزیک هسته ای 2229 فصل سوم : شکافت هسته ایاكسيژن 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.

اسلاید 230: فیزیک هسته ای 2230 فصل سوم : شکافت هسته ایدي 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.

اسلاید 231: فیزیک هسته ای 2231 فصل سوم : شکافت هسته ایفلزات 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.

اسلاید 232: فیزیک هسته ای 2232 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.

اسلاید 233: فیزیک هسته ای 2233 فصل سوم : شکافت هسته ایجيوه، 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.

اسلاید 234: فیزیک هسته ای 2234 فصل سوم : شکافت هسته ایبمبهای شکافتیهرگاه 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.

اسلاید 235: فیزیک هسته ای 2235 فصل سوم : شکافت هسته ایانرژی 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.

اسلاید 236: فیزیک هسته ای 2236 فصل سوم : شکافت هسته ایدو 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.

اسلاید 237: فیزیک هسته ای 2237دو نوع بمب شکافتی

اسلاید 238: فیزیک هسته ای 2238 فصل سوم : شکافت هسته ایطرح 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.

اسلاید 239: فیزیک هسته ای 2239بمب اتمی معروف به مرد چاق

اسلاید 240: فیزیک هسته ای 2240یک انفجار هسته ای

اسلاید 241: فیزیک هسته ای 2241 فصل سوم : شکافت هسته ایاثرات بمبهای هسته ای را در چند دسته می توان خلاصه کرد:1- موج انفجار2- تابش گرمایی3- تابش هسته ای مستقیم4- تابش هسته ای غیر مستقیم

اسلاید 242: فیزیک هسته ای 2242بمباران اتمی هیروشیما

اسلاید 243: فیزیک هسته ای 2243سلاحهای هسته ای

اسلاید 244: فیزیک هسته ای 2244فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایاسپین 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 =

اسلاید 245: فیزیک هسته ای 2245فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایاگر تکانه زاویه ای کل الکترونها را با J تعریف کنیم، تکانه زاویه ای کل هسته و الکترونها برابر است با: F = I + J

اسلاید 246: فیزیک هسته ای 2246فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایاعداد 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.

اسلاید 247: فیزیک هسته ای 2247فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای

اسلاید 248: فیزیک هسته ای 2248فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایجت شدگی تکانه زاویه ای پروتون – نوترون در 38Cl و50Sc

اسلاید 249: فیزیک هسته ای 2249فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای

اسلاید 250: فیزیک هسته ای 2250فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایگشتاور مغناطیسی μ عبارت است از:μ = (eħ/2m) lکمیت eħ/2m دارای بعد گشتاور مغناطیسی است و مگنتون نامیده می شود.

اسلاید 251: فیزیک هسته ای 2251فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایاگر 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

اسلاید 252: فیزیک هسته ای 2252فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایو با قرار دادن جرم الکترون، مگنتون بور μB حاصل می شود: μB = eħ/2me = 5.78838 x 10-5 eV/T

اسلاید 253: فیزیک هسته ای 2253فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایساختار فوق ریزانرژی 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

اسلاید 254: فیزیک هسته ای 2254فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایحاصلضرب L.S برابر است با:J = L + S(J)2 = (L)2 + 2 L.S + (S)2L.S = 1/2 [ (J)2 – (L)2 – (S)2 ]< L.S> = 1/2 ħ2 [J(J + 1) – L(L + 1) – S (S + 1) ]

اسلاید 255: فیزیک هسته ای 2255فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایجمع تکانه های زاویه ای مداری و اسپینی برای حالت L = 1 و s = 1/2

اسلاید 256: فیزیک هسته ای 2256

اسلاید 257: فیزیک هسته ای 2257

اسلاید 258: فیزیک هسته ای 2258فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایدر 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.

اسلاید 259: فیزیک هسته ای 2259

اسلاید 260: فیزیک هسته ای 2260فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایاسلایدهای بعدی، شکافتگی فوق ریز در سدیم را نشان می دهند.این در واقع همان اثر زیمان غیر عادی است.

اسلاید 261: فیزیک هسته ای 2261

اسلاید 262: فیزیک هسته ای 2262

اسلاید 263: فیزیک هسته ای 2263فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای مدل برداری برای جمع تکانه های زاویه ای و ،گشتاورهای مغناطیسی

اسلاید 264: فیزیک هسته ای 2264

اسلاید 265: فیزیک هسته ای 2265فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ایشکافتگی 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.

اسلاید 266: فیزیک هسته ای 2266فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای

اسلاید 267: فیزیک هسته ای 2267فصل چهارم : اسپین و گشتاور هسته ای