Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt

1. Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Dr. Sükösd Csaba egyetemi docens, tanszékvezető Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

2. 1942. dec. 2. E. Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenő, A. Compton... Az első önfenntartó nukleáris láncreakció Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

3. Néhány kísérlet, felfedezés a sok közül, amely ezt lehetővé tette • A neutron felfedezése (1932 Chadwick) • Fermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatása • „Többlet neutronok” (1939 Szilárd Leó, W. Zinn) • „Késő neutronok” (1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer, and P. Wang) • A chicagoi fél watt (1942), „kritikussági kísérlet” Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

4. 1) A neutron felfedezése(1932) (vázlatosan) Ismert volt: természetes radioaktivitás, a- b- g-sugárzások, és áthatolóképességük Rutherford óta: fő kísérleti„eszköz” az a-sugárzás F. Joliot-Curie, és I. Curie (1932): a-sugárzás Be-ból nagy áthatolóképességű sugárzást vált ki: g-sugárzás? Pl. Ra • Rejtélyes, mert • Pb nem gyengíti eléggé (nagy energiája lenne? ~50 MeV?) • Paraffin jól gyengíti (ha g-sugárzás lenne, nem kellene) • Paraffinból nagy energiájú protonokat lök ki. (Compton??) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

5. Ködkamrában mért meglökődésekből a (feltételezett) g-sugárzás energiája meghatározható (Compton-szóráshoz hasonló) Klasszikus fizika: ütközések, energia- és lendületmegmaradás. g-fotonra: (lineáris összefüggés) Láthatatlan nyomok További rejtély: Mindig más energia jött ki, attól függően, hogy milyen gáz volt a ködkamrában! James Chadwick megoldása: NEM g-foton, hanem M > 0 nyugalmi tömegű, semleges részecske: NEUTRON. Erre: (négyzetes). meglökődött atommag nyoma Két mérésből E és M meghatározható Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

6. 2. Fermi kísérletei – lassú/gyors neutronok hatása (1934) 1932 után a neutron a kísérletek fő „eszköze” lett, mivel nem taszítják el az atommagok (Pl. F. Joliot-Curie és I. Curie: első mesterséges radioaktivitás) Ismert volt, hogy b-bomláskor: „Neutronfelesleggel” rendelkező atommagok teszik! Enrico Fermi ötlete: az urán a legnagyobb rendszámú Vigyünk be neutront n-felesleg lesz b-bomlásZ = 93 rendszámút is előállíthatunk mesterségesen!! Honnan tudjuk, hogy előállítottuk? A radioaktivitásából. Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

7. E. Fermi kísérlete: Eredmény: VAN radioaktivitás Probléma: „diákoknak jobban sikerül”!? Megoldás: különböző energiájú neutronok másképp viselkednek. NEUTRONLASSÍTÁS! Lassú neutronok „hatékonyabbak” ! (hosszabb ideig van közel a maghoz, több idő van a kölcsönhatásra) • n-lassítás: könnyű atommagokkal való ütközéssel (moderátor) • Lassú neutronok elnyelése:kadmiummal vagy bórral Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

8. 1938-1939. Maghasadás felfedezése (itt nem tárgyaljuk) (Otto Hahn, Friedrich Strassman, Lise Meitner, Berlin) Kémiai Nobel-díj 1944 Megjegyzés: már 1934-ben Ida Noddack asszony (Németország) felvetette, Fermi kísérleteinek értelmezésére!! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

9. 3. „Többlet neutronok” (1939 Leo Szilárd, Walter Zinn) ”Azt várjuk, hogy ezek a gerjesztett töredék- magok azonnal kibo-csátanak neutrono-kat, és talán a hasa-dásonként kibocsátott neutronok száma egynél nagyobb...” Ez teremti meg a neutronos láncreak- ció lehetőségét ! Physical Review (1939) 799. oldal Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

10. paraffin Cd-árnyékolás (levehető) uránoxid rádium Cd ólom berillium A Cd-borítású He-ionizációs kamra csak gyorsneutronokat detektál A Szilárd – Zinn kísérlet felépítése Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

11. A mérés ötlete: Összehasonlítjuk a detektált neutronok számát, amikor az uránt gyors (Cd-árnyékolás), ill. lassú neutronok (Cd-nélkül) érik. Eredmény: lassú neutronokkal: ~ 50 beütés/perc gyors neutronokkal: ~ 5 beütés/perc. (Kontroll kísérlet: urán helyett ólom. Nincs effektus) De ez még csak azt bizonyítja, hogy az urán hasadása során keletkeznek gyors neutronok !! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

12. A neutronok számának a megállapítá- sához uránoxiddal bevont ionizációs kamrát tettek ki lassú neutronoknak. A hasadásokat detektálták. • A számítás menete: • Hasadások száma/perc az urán • bevonatban (a hasadványok szabad úthossza alapján) • Ebből a 2,3 kg uránoxidban: Nhasadás • Ismert volt a He n-szórási hatáskeresztmetszete • Ebből (geometriai korrekciókkal): Nneutron EREDMÉNY: „Megtaláltuk a neutronokat” (Szilárd Leó) (Mai, pontosabb érték: 2,4) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

13. 4. Késő neutronok kimutatása(1939 R.B. Roberts, R.C. Meyer, and P. Wang, USA) • A bór-bevonatú ionizációs • kamra: neutron-detektor • Gyorsító, lítium céltárggyal: • kikapcsolható neutronforrás U • Eredmény: • Urán nélkül: a gyorsító kikapcsolása után nincs neutron • Ha van urán, akkor a gyorsító kikapcsolása után is vannak neutronok T~ 12 s felezési idővel! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

14. 5. A chicagoi fél watt Láncreakció neutronokkal (effektív sokszorozási tényező) a két neutron-generáció között eltelt idő: Ezzel kapjuk: Az időbeli viselkedés tehát: Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

15. keff = 1 esetén N(t) = N0= konstans (kritikus), keff > 1 esetén N(t) exponenciálisan nő (szuperkritikus), keff < 1 esetén N(t) exponenciálisan csökken (szubkritikus). A változás gyorsaságát a kifejezés adja meg Prompt neutronoknál a generációs idő Tegyük fel, hogy keff =1,001 Példa: A neutronszám (és a reaktor teljesít- ményének) változása 1 s alatt: Nem szabályozható! (prompt-kritikus) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

16. A késő neutronokra azonban (Roberts és társai) Sajnos csak kevés késő neutron van! A részarányuk ~0,64% Úgy kell megépíteni, hogy a késő neutronok nélkül keff<1 legyen, de a késő neutronokkal együtt keff>1 lehessen (elindításkor) Azaz keff < 1,0064 kell maradjon mindig! keff változtatási lehetőségei: • Kiszökés arányának csökkentése(nagyobb rendszer) • Elnyelődés szabályozása (szabályozó elemek n-elnyelő anyagokból • Hasadás valószínűségének növelése(neutronok lelassítása: grafit, D2O) MEGÉPÍTENÉD? Honnan tudjuk, hogy mekkora a keff ? Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

17. Ötlet: tegyünk oda egy neutronforrást! Ekkor: (forrás nélkül) Sokszorozás + forrás Új generáció = Azonos átalakításokkal kapjuk (mint korábban): Ennek a megoldása: keff mérhető! (keff < 1) Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

18. Ebből kapjuk: Ábrázolva: 1942. dec. 2. Chicago „Az olasz kormányos sikeresen megérkezett az Új Világba. A bennszülöttek barátságosak” Pl. x a szabályozó rúd állása Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

19. Összefoglalás: • Neutron felfedezése (J. Chadwick) • Neutronlassítás (E. Fermi) • Többlet-neutronok (Szilárd-Zinn) • Késő neutronok (Roberts és tsai) • Kritikussági kísérlet (Fermi-Szilárd, Chicago) Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30