Номер 73.28, страница 250 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

Глава 10. Квантовые явления. Параграф 73. Радиоактивный распад - номер 73.28, страница 250.

Условие.

73.28 [1681] В качестве замедлителей быстрых нейтронов можно использовать тяжёлую воду или углерод. В каком из этих замедлителей нейтрон испытывает большее число столкновений, пока его скорость не снизится до тепловой?

Решение 3.

Решение 4.

Решение 5.

Решение 6.

Решение 7.

Процесс замедления быстрых нейтронов до тепловых скоростей происходит в результате их упругих столкновений с ядрами атомов вещества-замедлителя. Эффективность этого процесса зависит от того, какая доля кинетической энергии передается от нейтрона ядру при каждом столкновении.

Из законов сохранения энергии и импульса для упругого столкновения следует, что передача энергии от налетающей частицы к покоящейся мишени будет максимальной, когда их массы равны. Если масса налетающего нейтрона равна $m_n$, а масса ядра-мишени равна $M$, то чем ближе отношение $M/m_n$ к единице, тем эффективнее замедление. То есть, тем меньше столкновений потребуется для снижения скорости нейтрона до тепловой.

Сравним массы ядер, с которыми сталкивается нейтрон в тяжёлой воде и в углероде, с массой самого нейтрона.

• Масса нейтрона $m_n \approx 1$ а.е.м.
• В тяжёлой воде ($D_2O$) основными частицами, с которыми сталкиваются нейтроны, являются ядра дейтерия (дейтроны), так как они намного легче ядер кислорода и их два на каждую молекулу. Масса ядра дейтерия $m_D \approx 2$ а.е.м. Таким образом, отношение масс $M/m_n \approx 2$.
• В углеродном замедлителе (графите) нейтроны сталкиваются с ядрами углерода, в основном изотопа $^{12}C$. Масса ядра углерода $m_C \approx 12$ а.е.м. Отношение масс здесь $M/m_n \approx 12$.

Поскольку масса ядра дейтерия ($2$ а.е.м.) гораздо ближе к массе нейтрона ($1$ а.е.м.), чем масса ядра углерода ($12$ а.е.м.), при каждом столкновении с ядром дейтерия нейтрон теряет в среднем значительно большую долю своей кинетической энергии, чем при столкновении с ядром углерода.

Это означает, что тяжёлая вода является более эффективным замедлителем, чем углерод. Для достижения одной и той же конечной (тепловой) энергии в более эффективном замедлителе требуется меньшее количество столкновений. Следовательно, в менее эффективном замедлителе — углероде — нейтрон испытает большее число столкновений.

Ответ: нейтрон испытывает большее число столкновений в углероде.