Номер 11.164, страница 228 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Деление ядер урана. Ядерный реактор - номер 11.164, страница 228.

Условие.

11.164. Что эффективнее использовать для защиты от потока нейтронов – слой полиэтилена или броневой стали той же толщины?

Решение.

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть механизмы взаимодействия нейтронов с веществом.

Нейтроны являются нейтральными частицами, поэтому они не взаимодействуют с электронными оболочками атомов через электромагнитные силы, как, например, альфа- или бета-частицы. Основной способ, которым нейтроны теряют свою энергию, проходя через вещество, — это упругие и неупругие столкновения с атомными ядрами.

С точки зрения классической механики, максимальная передача кинетической энергии от налетающей частицы к покоящейся мишени происходит тогда, когда их массы равны. При лобовом упругом столкновении с частицей равной массы налетающая частица может передать всю свою кинетическую энергию и остановиться.

Сравним составы полиэтилена и стали:

1. Полиэтилен (химическая формула $(C_2H_4)_n$) — это материал, богатый водородом. Ядро атома водорода представляет собой протон, масса которого ($m_p$) почти идентична массе нейтрона ($m_n$). Таким образом, $m_n \approx m_p$. При столкновении с протонами нейтроны эффективно теряют свою энергию, то есть замедляются.

2. Броневая сталь состоит в основном из железа ($\text{Fe}$) и других тяжелых элементов. Ядро атома железа примерно в 56 раз тяжелее нейтрона ($m_{Fe} \approx 56 m_n$). Столкновение нейтрона с таким тяжелым ядром похоже на столкновение теннисного мяча со стеной: мяч отскакивает, почти не теряя своей скорости, а стена практически не сдвигается. Нейтрон при таком столкновении меняет направление движения, но теряет очень малую долю своей энергии.

Таким образом, для замедления быстрых нейтронов материалы, содержащие легкие элементы (особенно водород), намного эффективнее тяжелых. После того как нейтроны замедлятся до тепловых скоростей, они могут быть легко поглощены ядрами (например, ядрами водорода или специальными поглощающими добавками, такими как бор).

Следовательно, слой полиэтилена одинаковой толщины будет гораздо эффективнее задерживать и поглощать нейтроны, чем слой стали.

Ответ: Эффективнее использовать слой полиэтилена.