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

Középiskolai Fizikatanári Ankét 1942. dec. 2. E. Fermi, Szilárd Leó, Wigner Jenő, A. Compton... Az első önfenntartó nukleáris láncreakció Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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” Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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??) Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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-bomlás Z = 93 rendszámút is előállíthatunk mesterségesen!! Honnan tudjuk, hogy előállítottuk? A radioaktivitásából. Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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!! Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

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

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 !! Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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) Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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! Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

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

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 Példa: Tegyük fel, hogy keff =1,001 A neutronszám (és a reaktor teljesít- ményének) változása 1 s alatt: Nem szabályozható! (prompt-kritikus) Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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 ? Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30

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

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

Középiskolai Fizikatanári Ankét 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! Magfizikai kísérletek és a chicagoi fél watt Középiskolai Fizikatanári Ankét Békéscsaba 2008. 03.26-30