Які частинки утворюються при розподілі ядра урану. Ядерні реакції та критична маса урану

Вивчення взаємодії нейтронів із речовиною призвело до відкриття ядерних реакцій нового типу. У 1939 р. О. Ган та Ф. Штрассман досліджували хімічні продукти, що виходять при бомбардуванні нейтронами ядер урану. Серед продуктів реакції було виявлено барій - хімічний елемент з масою набагато менше, ніж маса урану. Завдання було вирішено німецькими фізиками Л. Мейтнерома та О. Фрішем, які показали, що при поглинанні нейтронів ураном відбувається розподіл ядра на два уламки:

де k > 1.

При розподілі ядра урану тепловий нейтрон з енергією ~ 0,1 еВ звільняє енергію ~ 200 МеВ. Істотним моментом є те, що цей процес супроводжується появою нейтронів, здатних викликати поділ інших ядер урану. ланцюгова реакція поділу . Таким чином, один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів ядер, причому кількість ядер, що беруть участь у реакції поділу, буде експоненційно зростати. Відкрилися перспективи використання ланцюгової реакції розподілу у двох напрямках:

· керована ядерна реакція поділу- Створення атомних реакторів;

· некерована ядерна реакція поділу- Створення ядерної зброї.

У 1942 р. у США було збудовано перший ядерний реактор. У СРСР перший реактор було запущено в 1946 р. В даний час теплова та електрична енергія виробляється в сотнях ядерних реакторів, що працюють у різних країнах світу.

Як видно із рис. 4.2, зі зростанням значення Апитома енергія зв'язку збільшується аж до А» 50. Цю поведінку можна пояснити додаванням сил; енергія зв'язку окремого нуклону посилюється, якщо його притягують не один чи два, а кілька інших нуклонів. Однак у елементах зі значеннями масового числа більше А» 50 питома енергія зв'язку поступово зменшується зі зростанням А.Це пов'язано з тим, що ядерні сили тяжіння є короткодіючими радіусом дії порядку розмірів окремого нуклону. Поза цим радіусом переважають сили електростатичного відштовхування. Якщо два протони видаляються більш як на 2,5×10 - 15 м, між ними переважають сили кулоновского відштовхування, а чи не ядерного тяжіння.

Наслідком такої поведінки питомої енергії зв'язку в залежності від Ає існування двох процесів - синтезу та поділу ядер . Розглянемо взаємодію електрона та протона. При утворенні атома водню вивільняється енергія 13,6 эВ і маса атома водню виявляється на 13,6 эВ менше суми мас вільного електрона та протона. Аналогічно, маса двох легких ядер перевищує масу після їх з'єднання на D М. Якщо їх з'єднати, то вони зіллються з виділенням енергії D Мс 2 . Цей процес називається синтезом ядер . Різниця мас може перевищувати 0,5%.

Якщо розщеплюється важке ядро ​​на два легших ядра, їх маса буде менше маси батьківського ядра на 0,1 %. У важких ядер існує тенденція до поділуна два легші ядра з виділенням енергії. Енергія атомної бомби та ядерного реактора є енергією , що вивільняється при розподілі ядер . Енергія водневої бомби - Це енергія, що виділяється при ядерному синтезі. Альфа-розпад можна розглядати як сильно асиметричний поділ, при якому батьківське ядро Мрозщеплюється на маленьку альфа-частинку та велике залишкове ядро. Альфа-розпад можливий тільки якщо в реакції

маса Мвиявляється більше суми мас та альфа-частинки. У всіх ядер з Z> 82 (свинець). Z> 92 (уран) напівперіоди альфа-розпаду виявляються значно довшими за вік Землі, і такі елементи не зустрічаються в природі. Однак їх можна створити штучно. Наприклад, плутоній ( Z= 94) можна одержати з урану в ядерному реакторі. Ця процедура стала звичайною і обходиться всього в 15 доларів за 1 м. Досі вдалося отримати елементи аж до Z= 118, проте набагато дорожчою ціною і, як правило, у незначних кількостях. Можна сподіватися, що радіохіміки навчаться отримувати, хоч і в невеликих кількостях, нові елементи з Z> 118.

Якби масивне ядро ​​урану вдалося розділити на дві групи нуклонів, то ці групи нуклонів перебудувалися в ядра з сильнішим зв'язком. У процесі перебудови виділилася енергія. Спонтанний поділ ядер дозволено законом збереження енергії. Однак потенційний бар'єр у реакції поділу у ядер, що зустрічаються в природі, настільки високий, що ймовірність спонтанного поділу виявляється набагато меншою від ймовірності альфа-розпаду. Період напіврозпаду ядер 238 U щодо спонтанного поділу становить 8×10 15 років. Це більш ніж мільйон разів перевищує вік Землі. Якщо нейтрон зіштовхується з важким ядром, воно може перейти більш високий енергетичний рівень поблизу вершини електростатичного потенційного бар'єру, у результаті зросте ймовірність поділу. Ядро в збудженому стані може мати значний момент імпульсу і набути овальної форми. Ділянки на периферії ядра легше проникають крізь бар'єр, оскільки вони вже частково перебувають за бар'єром. У ядра овальної форми роль бар'єру ще більше послаблюється. При захопленні ядром або повільного нейтрону утворюються стани з дуже короткими часом життя щодо поділу. Різниця мас ядра урану та типових продуктів розподілу така, що в середньому при розподілі урану вивільняється енергія 200 МеВ. Маса спокою ядра урану 2,2 10 5 МеВ. В енергію перетворюється близько 0,1% цієї маси, що дорівнює відношенню 200 МеВ до величини 2,2×105 МеВ.

Оцінка енергії,що звільняється під час поділу,може бути отримана з формули Вайцзеккера :

При розподілі ядра на два уламки змінюється поверхнева енергія та кулонівська енергія , причому поверхнева енергія збільшується, а кулонівська енергія зменшується. Поділ можливий у тому випадку, коли енергія, що вивільняється при розподілі, Е > 0.

.

Тут A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Звідси отримаємо, що розподіл енергетично вигідний, коли Z 2 /A> 17. Розмір Z 2 /Aназивається параметром ділимості . Енергія Е, що звільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A.

У процесі поділу ядро ​​змінює форму - послідовно проходить через наступні стадії (рис. 9.4): куля, еліпсоїд, гантель, два грушоподібні уламки, два сферичні уламки.

Після того як поділ відбувся, і уламки знаходяться один від одного на відстані набагато більшій за їхній радіус, потенційну енергію уламків, що визначається кулонівською взаємодією між ними, можна вважати рівною нулю.

Внаслідок еволюції форми ядра, зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій . Передбачається, що обсяг ядра у процесі деформації залишається незмінним. Поверхнева енергія у своїй зростає, оскільки збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія зменшується, оскільки збільшується середня відстань між нуклонами. У разі малих еліпсоїдальних деформацій зростання поверхневої енергії відбувається швидше, ніж зменшення кулонівської енергії.

У сфері важких ядер сума поверхневої та кулонівської енергій збільшується із збільшенням деформації. При малих еліпсоїдальних деформаціях зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій зміні форми ядра, а отже і поділу. Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того, щоб ядро ​​миттєво розділилося, йому необхідно повідомити енергію, що перевищує висоту бар'єра поділу Н.

Висота бар'єру Нтим більше, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії у початковому ядрі. Це відношення, у свою чергу, збільшується зі збільшенням параметра подільності Z 2 /А.Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру Н, так як параметр подільності збільшується зі зростанням масового числа:

Більш важким ядрам, як правило, потрібно повідомити меншу енергію, щоб викликати поділ. З формули Вайцзеккера випливає, що висота бар'єру поділу перетворюється на нуль при . Тобто. згідно з крапельною моделлю в природі повинні бути відсутні ядра з , тому що вони практично миттєво (за характерний ядерний час порядку 10 -22 с) мимовільно діляться. Існування атомних ядер з (« острів стабільності ») Пояснюється оболонковою структурою атомних ядер. Мимовільне розподіл ядер з , для яких висота бар'єру Нне дорівнює нулю, з погляду класичної фізики неможливо. З точки зору квантової механіки такий поділ можливий в результаті проходження уламків через потенційний бар'єр і зветься спонтанного поділу . Ймовірність спонтанного поділу зростає зі збільшенням параметра подільності, тобто. із зменшенням висоти бар'єру поділу.

Вимушений поділ ядер з може бути викликано будь-якими частинками: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, α-частинками і т.д., якщо енергія, яку вони вносять у ядро, є достатньою для подолання бар'єру поділу.

Маси уламків, що утворюються при розподілі тепловими нейтронами, не рівні. Ядро прагне розділитися таким чином, щоб основна частина нуклонів осколка утворила стійкий магічний кістяк. На рис. 9.5 наведено розподіл за масами при розподілі. Найбільш ймовірна комбінація масових чисел – 95 та 139.

Ставлення числа нейтронів до протонів в ядрі дорівнює 1,55, тоді як у стабільних елементів, що мають масу, близьку до маси уламків поділу, це відношення 1,25 - 1,45. Отже, уламки розподілу сильно перевантажені нейтронами і нестійкі до -розпаду - радіоактивні.

Через війну розподілу вивільняється енергія ~ 200 МеВ. Близько 80% її посідає енергію уламків. За один акт поділу утворюється більше двох нейтронів поділу із середньою енергією ~ 2 МеВ.

У 1 г будь-якої речовини міститься . Поділ 1 г урану супроводжується виділенням ~ 9×10 10 Дж. Це майже 3 млн разів перевищує енергію спалювання 1 р вугілля (2,9×10 4 Дж). Звичайно, 1 г урану обходиться значно дорожче 1 г вугілля, але вартість 1 Дж енергії, отриманої спалюванням вугілля, виявляється в 400 разів вище, ніж у разі уранового палива. Вироблення 1 кВт×год енергії обходилося в 1,7 цента на електростанціях, що працюють на вугіллі, та в 1,05 цента на ядерних електростанціях.

Завдяки ланцюгової реакціїпроцес поділу ядер можна зробити самопідтримується . При кожному розподілі вилітають 2 або 3 нейтрони (рис. 9.6). Якщо одному з цих нейтронів вдасться викликати поділ іншого ядра урану, процес буде самоподдерживающимся.

Сукупність речовини, що ділиться, що задовольняє цій вимогі, називається критичним складанням . Перше таке складання, назване ядерним реактором , була побудована в 1942 р. під керівництвом Енріко Фермі на території університету Чикаго. Перший ядерний реактор було запущено 1946 р. під керівництвом І. Курчатова у Москві. Перша атомна електростанція потужністю 5 МВт була пущена в СРСР у 1954 р. в Обнінську (рис. 9.7).

Масуі можна також зробити надкритичної . У цьому випадку нейтрони, що виникають при розподілі, будуть викликати кілька вторинних поділів. Оскільки нейтрони рухаються зі швидкостями, що перевищують 10 8 см/с, надкритична збірка може повністю прореагувати (або розлетітися) швидше ніж за тисячну частку секунди. Такий пристрій називається атомною бомбою . Ядерний заряд із плутонію або урану переводять у надкритичний стан зазвичай за допомогою вибуху. Підкритичну масу оточують хімічною вибухівкою. При її вибуху плутонію або уранова маса піддається миттєвому стиску. Оскільки щільність сфери при цьому значно зростає, швидкість поглинання нейтронів виявляється вищою за швидкість втрати нейтронів за рахунок їх вильоту назовні. У цьому полягає умова надкритичності.

На рис. 9.8 зображено схему атомної бомби «Малюк», скинутої на Хіросіму. Ядерною вибухівкою в бомбі служив , розділений на дві частини, маса яких була меншою за критичну. Необхідна для вибуху критична маса створювалася в результаті з'єднання обох частин методом гармати за допомогою звичайної вибухівки.

При вибуху 1 т тринітротолуолу (ТНТ) вивільняється 109 кал, або 4×109 Дж. При вибуху атомної бомби, що витрачає 1 кг плутонію, вивільняється близько 8×1013 Дж енергії.

Або це майже у 20 000 разів більше, ніж під час вибуху 1 т ТНТ. Така бомба називається 20-кілотонною бомбою. Сучасні бомби потужністю в мегатонни в мільйони разів потужніші від звичайної ТНТ-вибухівки.

Виробництво плутонію засноване на опроміненні 238 U нейтронами, що веде до утворення ізотопу 239 U, який в результаті розпаду бета перетворюється в 239 Np, а потім після ще одного бета-розпаду в 239 Рu. При поглинанні нейтрона з малою енергією обидва ізотопи 235 U і 239 Ру відчувають розподіл. Продукти розподілу характеризуються сильнішим зв'язком (~ 1 МеВ на нуклон), завдяки чому в результаті розподілу вивільняється приблизно 200 МеВ енергії.

Кожен грам витраченого плутонію або урану породжує майже грам радіоактивних продуктів поділу, які мають величезну радіоактивність.

Для перегляду демонстрацій клацніть на відповідному гіперпосиланні:

Мета: сформувати в учнів уявлення про поділ ядер урану.

• перевірити раніше вивчений матеріал;
• розглянути механізм розподілу ядра урану;
• розглянути умову виникнення ланцюгової реакції;
• з'ясувати чинники, що впливають перебіг ланцюгової реакції;
• розвивати мовлення та мислення учнів;
• розвивати вміння аналізувати, контролювати та коригувати власну діяльність у рамках заданого часу.

Обладнання: комп'ютер, проекційна система, дидактичний матеріал (тест “Склад ядра”), диски “Інтерактивний курс. Фізика 7-11кл” (Фізикон) та “1С-репітитор. Фізика”(1С).

Привітання, оголошення плану заняття.

Самостійна робота учнів – виконання тесту ( Додаток 1 ). У тесті необхідно вказати одну правильну відповідь.

Ми з вами нещодавно дізналися, що деякі хімічні елементи при радіоактивному розпаді перетворюються на інші хімічні елементи. А як ви вважаєте, що буде, якщо в ядро ​​атома деякого хімічного елемента направити якусь частинку, ну, наприклад, нейтрон в ядро ​​урану? (вислуховую припущення учнів)

А давайте перевіримо ваші припущення (Робота з інтерактивною моделлю "Поділ ядра")“Інтерактивний курс. Фізика 7-11кл ).

Що в результаті вийшло?

- При попаданні нейтрону в ядро ​​урану, ми бачимо, що в результаті утворюється 2 осколки і 2-3 нейтрони.

Той самий ефект було отримано 1939 р. німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом. Вони виявили, що в результаті взаємодії нейтронів з ядрами урану з'являються радіоактивні ядра-уламки, маси та заряди яких приблизно вдвічі менші за відповідні характеристики ядер урану. Поділ ядер, що подібним чином відбувається, називають вимушеним розподілом, на відміну від спонтанного, яке відбувається при природних радіоактивних перетвореннях.

Ядро входить у стан збудження і починає деформуватися. Чому ядро ​​розривається на дві частини? Під дією яких сил відбувається розрив?

Які сили діють усередині ядра?

- Електростатичні та ядерні.

Добре, а як виявляються електростатичні сили?

– Електростатичні сили діють між зарядженими частинками. У ядрі зарядженої часткою є протон. Так як протон заряджений позитивно означає, що між ними діють сили відштовхування.

Правильно, а як проявляються ядерні сили?

– Ядерні сили – сили тяжіння між усіма нуклонами.

Так, під впливом яких сил відбувається розрив ядра?

– (Якщо виникнуть труднощі, ставлю питання і підводжу учнів до правильного висновку) Під дією електростатичних сил відштовхування ядро ​​розривається на дві частини, які розлітаються в різні боки і випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

Уламки розлітаються з дуже великою швидкістю. Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить в кінетичну енергію осколків і частинок, що розлітаються. Осколки потрапляють у довкілля. Як ви вважаєте, що відбувається з ними?

– Осколки гальмуються у навколишньому середовищі.

Щоб не порушувати закон збереження енергії, ми маємо сказати, що станеться із кінетичною енергією?

– Кінетична енергія осколків перетворюється на внутрішню енергію середовища.

Чи можна побачити, що внутрішня енергія середовища змінилася?

- Так, середовище нагрівається.

А чи впливатиме на зміну внутрішньої енергії той фактор, що в розподілі братиме участь різна кількість ядер урану?

– Звичайно, при одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища зростає.

З курсу хімії ви знаєте, що реакції можуть відбуватися як з поглинанням енергії, так і виділенням. Що ми скажемо про перебіг реакції розподілу ядер урану?

– Реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище.

Енергія, що міститься в ядрах атомів, колосальна. Наприклад, при повному розподілі всіх ядер, що є в 1г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти. З'ясували, що станеться з уламками, а як поведуться нейтрони?

– (вислуховую припущення учнів, перевіряємо припущення, працюючи з інтерактивною моделлю "Ланцюгова реакція"“1С-репітитор. Фізика” ).

Мабуть, нейтрони своєму шляху можуть зустріти ядра урану і викликати поділ. Така реакція називається ланцюговою.

Отже, якою є умова виникнення ланцюгової реакції?

– Ланцюгова реакція можлива завдяки тому, що при розподілі кожного ядра утворюється 2-3 нейтрони, які можуть взяти участь у розподілі інших ядер.

Ми бачимо, що загальна кількість вільних нейтронів у шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. До чого це може спричинити?

– До вибуху.

- Зростає кількість поділів ядер і, відповідно, енергія, що виділяється в одиницю часу.

Але можливий і інший варіант, при якому кількість вільних нейтронів зменшується з часом, не зустрів нейтрон на своєму шляху ядро. В цьому випадку що станеться із ланцюговою реакцією?

- Припиниться.

Чи можна використовувати з мирною метою енергію подібних реакцій?

А як має протікати реакція?

– Реакція має протікати так, щоб кількість нейтронів з часом залишалася постійною.

Як же досягти того, щоб число нейтронів постійно залишалося постійним?

- (Пропозиції хлопців)

Для вирішення цієї проблеми потрібно знати, які фактори впливають на збільшення та зменшення загальної кількості вільні нейтронів у шматку урану, в якому протікає ланцюгова реакція.

Одним з таких факторів є маса урану . Справа в тому, що не кожен нейтрон, випромінюваний при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер. Якщо маса (і розміри) шматка урану занадто мала, багато нейтрони вилетять його межі, не встигнувши зустріти своєму шляху ядро, викликати його розподіл і породити в такий спосіб нове покоління нейтронів, необхідні продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, що називається критичним.

Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою?

– Чим більша маса шматка, тим більша ймовірність зустрічі нейтронів із ядрами. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються.

При деякій так званій критичній масі урану число нейтронів, що з'явилися при розподілі ядер, стає рівним числу втрачених нейтронів (тобто захоплених ядрами без поділу і вилетіли за межі шматка).

Тому їх загальна кількість залишається незмінною. При цьому ланцюгова реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру.

Найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною масою.

Як протікатиме реакція, якщо маса урану більша критичної?

– Внаслідок різкого збільшення кількості вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху.

А якщо менше критичної?

– Реакція не протікає через нестачу вільних нейтронів.

Зменшити втрату нейтронів (які вилітають із урану, не прореагувавши з ядрами) можна не тільки за рахунок збільшення маси урану, але й за допомогою спеціальної відбиває оболонки . Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, що добре відображає нейтрони (наприклад, берилію). Відбиваючись від цієї оболонки, нейтрони повертаються в уран і можуть брати участь у розподілі ядер.

Крім маси та наявності відбиває оболонки існує ще кілька факторів, від яких залежить можливість протікання ланцюгової реакції. Наприклад, якщо шматок урану містить занадто багато домішок інших хімічних елементів, вони поглинають більшу частину нейтронів і реакція припиняється.

Ще одним фактором, що впливає на перебіг реакції, є наявність в урані так званого сповільнювача нейтронів . Справа в тому, що ядра урану-235 з найбільшою ймовірністю діляться під дією повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони уповільнити, то більша їх частина захопиться ядрами урану-235 з подальшим розподілом цих ядер, як сповільнювачі використовуються такі речовини, як графіт, пода, важка вода та деякі інші. Ці речовини лише уповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх.

Отже, які основні фактори здатні впливати на перебіг ланцюгової реакції?

– Можливість протікання ланцюгової реакції визначається масою урану, кількістю домішок у ньому, наявністю оболонки та сповільнювача.

Критична маса кулястого шматка урану-235 приблизно дорівнює 50кг. При цьому його радіус складає всього 9см, оскільки уран має дуже велику густину.

Застосовуючи сповільнювач і відбивну оболонку, і зменшуючи кількість домішок, вдається знизити критичну масу урану до 0,8 кг.

Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що при бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Правильне тлумачення цього факту дали австрійський фізик Л. Мейтнер та англійський фізик О. Фріш. Вони пояснили появу цих елементів розпадом ядер урану, що захопив нейтрон, на приблизно дві рівні частини. Це явище отримало назву поділу ядер, а ядра, що утворюються, - уламків поділу.

Див. також

1. Васильєв А. Розподіл урану: від Клапроту до Гана // Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30.

Крапельна модель ядра

Пояснити цю реакцію поділу можна ґрунтуючись на краплинній моделі ядра. У цій моделі ядро ​​розглядається як крапля зарядженої несжимаемой рідини. Крім ядерних сил, що діють між усіма нуклонами ядра, протони зазнають додаткового електростатичного відштовхування, внаслідок якого вони розташовуються на периферії ядра. У незбудженому стані сили електростатичного відштовхування компенсовані, тому ядро ​​має сферичну форму (рис. 1, а).

Після захоплення ядром \(~^(235)_(92)U\) нейтрону утворюється проміжне ядро ​​\(~(^(236)_(92)U)^*\), яке знаходиться у збудженому стані. При цьому енергія нейтрону рівномірно розподіляється між усіма нуклонами, а проміжне ядро ​​деформується і починає коливатися. Якщо збудження невелике, то ядро ​​(рис. 1, б), звільняючись від надлишку енергії шляхом випромінювання γ -Кванту або нейтрону, повертається у стійкий стан. Якщо ж енергія збудження досить велика, то деформація ядра при коливаннях може бути настільки великою, що в ньому утворюється перетяжка (рис. 1, в), аналогічна перетяжці між двома частинами краплі рідини, що роздвоюється. Ядерні сили, що діють у вузькій перетяжці, вже не можуть протистояти значній кулонівській силі відштовхування частин ядра. Перетяжка розривається, і ядро ​​розпадається на два "уламки" (рис. 1, г), які розлітаються на протилежні сторони.

uran.swf Flash: Розподіл урану Збільшити Flash Мал. 2.

В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36) Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.

При розподілі ядер важких атомів ((^(235)_(92)U)) виділяється дуже велика енергія - близько 200 МеВ при розподілі кожного ядра. Близько 80% цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків; решта 20 % припадає на енергію радіоактивного випромінювання уламків та кінетичну енергію миттєвих нейтронів.

Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах із масовим числом A≈ 240 порядку 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A= 90 – 145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Див. також

1. Варламов А.А. Крапельна модель ядра // квант. – 1986. – № 5. – С. 23-24

Ланцюжкова реакція

Ланцюжкова реакція- Ядерна реакція, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції.

При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакції розподілу ядер урану представлена ​​на рис. 3.

reakce.swf Flash: ланцюгова реакція Збільшити Flash Мал. 4.

Уран зустрічається в природі у вигляді двох ізотопів [[~^(238)_(92)U\] (99,3%) і \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. При цьому реакція розподілу \(~^(235)_(92)U\) найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра \(~^(238)_(92)U\) вступають у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією порядку 1 МеВ. Інакше енергія збудження ядер, що утворилися \(~^(239)_(92)U\) виявляється недостатньою для поділу, і тоді замість поділу відбуваються ядерні реакції:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \to \ ^(239)_(92)U \to \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ).

Ізотоп урану \(~^(238)_(92)U\) β -Радіоактивний, період напіврозпаду 23 хв. Ізотоп нептунія \(~^(239)_(93)Np\) теж радіоактивний, період напіврозпаду близько 2 днів.

\(~^(239)_(93)Np \to \^(239)_(94)Pu + \^0_(-1)e\) .

Ізотоп плутонію \(~^(239)_(94)Np\) щодо стабільний, період напіврозпаду 24000 років. Найважливіша властивість плутонію полягає в тому, що він ділиться під впливом нейтронів так само, як (~^(235)_(92)U\). Тому за допомогою \(~^(239)_(94)Np\) може бути здійснена ланцюгова реакція.

Розглянута вище схема ланцюгової реакції є ідеальним випадком. У реальних умовах не всі нейтрони, що утворюються при розподілі, беруть участь у розподілі інших ядер. Частина їх захоплюється ядрами сторонніх атомів, що не діляться, інші вилітають з урану назовні (витік нейтронів).

Тому ланцюгова реакція поділу важких ядер виникає не завжди і не за будь-якої маси урану.

Коефіцієнт розмноження нейтронів

Розвиток ланцюгової реакції характеризується так званим коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який вимірюється відношенням числа N i нейтронів, що викликають розподіл ядер речовини на одному з етапів реакції, до числа N i-1 нейтронів, що викликали поділ на попередньому етапі реакції:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, що ділиться, від геометричної форми займаного ним обсягу. Одна і та ж кількість даної речовини має різне значення До. Домаксимально, якщо речовина має кулясту форму, оскільки в цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню буде найменшою.

Маса речовини, що ділиться, в якому ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом розмноження До= 1 називається критичної масою. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні.

Значення критичної маси визначається геометрією фізичної системи, її структурою та зовнішнім оточенням. Так, для кулі з чистого урану \(~^(235)_(92)U\) критична маса дорівнює 47 кг (куля діаметром 17 см). Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.

Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.

При коефіцієнті розмноження До= 1 число ядер, що діляться, підтримується на постійному рівні. Такий режим забезпечується у ядерних реакторах.

Якщо маса ядерного палива менша від критичної маси, то коефіцієнт розмноження До < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Якщо ж маса ядерного палива більша за критичну, то коефіцієнт розмноження До> 1 і кожне нове покоління нейтронів викликає дедалі більше поділів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху, що супроводжується величезним виділенням енергії та підвищенням температури навколишнього середовища до кількох мільйонів градусів. Ланцюгова реакція такого роду відбувається під час вибуху атомної бомби.

Ядерна бомба

У звичайному стані ядерна бомба не вибухає тому, що ядерний заряд у ній поділений на кілька невеликих частин перегородками, що поглинають продукти розпаду урану – нейтрони. Ланцюгова ядерна реакція, що є причиною ядерного вибуху, не може підтримуватись у таких умовах. Однак, якщо фрагменти ядерного заряду з'єднати разом, їх сумарна маса стане достатньою для того, щоб почала розвиватися ланцюгова реакція поділу урану. Внаслідок цього відбувається ядерний вибух. При цьому потужність вибуху, що розвивається ядерною бомбою порівняно невеликих розмірів, еквівалентна потужності, що виділяється під час вибуху мільйонів і мільярдів тонн тротилу.

Рис. 5. Атомна бомба

Розподіл ядер урану під час бомбардування їх нейтронами було відкрито 1939 р. німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом.

Oттo Ган (1879-1968)
Німецький фізик, вчений-новатор у галузі радіохімії. Відкрив розщеплення урану, ряд радіоактивних елементів

Фріц Штрассман (1902-1980)
Німецький фізик та хімік. Роботи відносяться до ядерної хімії, ядерного поділу. Надав хімічний доказ процесу розподілу

Розглянемо механізм цього явища. На малюнку 162 а умовно зображено ядро ​​атома урану . Поглинувши зайвий нейтрон, ядро ​​збуджується і деформується, набуваючи витягнутої форми (рис. 162, б).

Рис. 162. Процес поділу ядра урану під впливом нейтрону, що потрапив до нього.

Ви вже знаєте, що в ядрі діє два види сил: електростатичні сили відштовхування між протонами, які прагнуть розірвати ядро, та ядерні сили тяжіння між усіма нуклонами, завдяки яким ядро ​​не розпадається. Але ядерні сили - короткодіючі, у витягнутому ядрі вони не можуть утримати сильно віддалені друг від друга частини ядра. Під дією електростатичних сил відштовхування ядро ​​розривається на дві частини (рис. 162 в), які розлітаються в різні сторони з величезною швидкістю і випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

Виходить, що частина внутрішньої енергії ядра переходить в кінетичну енергію осколків і частинок, що розлітаються. Осколки швидко гальмуються в навколишньому середовищі, внаслідок чого їхня кінетична енергія перетворюється на внутрішню енергію середовища (тобто в енергію взаємодії та теплового руху складових її частинок).

При одночасному розподілі великої кількості ядер урану внутрішня енергія навколишнього уран середовища та відповідно її температура помітно зростають (тобто середовище нагрівається).

Таким чином, реакція поділу ядер урану йде з виділенням енергії у навколишнє середовище.

Енергія, що у ядрах атомів, колосальна. Наприклад, при повному розподілі всіх ядер, що є в 1 г урану, виділилося б стільки ж енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти. Для перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну на атомних електростанціях використовують так звані ланцюгові реакції поділу ядер.

Розглянемо механізм протікання ланцюгової реакції поділу ядра ізотопу урану. Ядро атома урану (рис. 163) в результаті захоплення нейтрону розділилося на дві частини, випромінювши при цьому три нейтрони. Два з цих нейтронів викликали реакцію поділу ще двох ядер, при цьому утворилося вже чотири нейтрони. Ці, своєю чергою, викликали розподіл чотирьох ядер, після чого утворилося дев'ять нейтронів тощо.

Ланцюгова реакція можлива завдяки тому, що при розподілі кожного ядра утворюється 2-3 нейтрони, які можуть брати участь у розподілі інших ядер.

На малюнку 163 показано схему ланцюгової реакції, при якій загальна кількість вільних нейтронів у шматку урану лавиноподібно збільшується з часом. Відповідно різко зростає кількість поділів ядер та енергія, що виділяється в одиницю часу. Тому така реакція має вибуховий характер (вона протікає в атомній бомбі).

Рис. 163. Ланцюгова реакція поділу ядер урану

Можливий інший варіант, коли кількість вільних нейтронів зменшується з часом. У цьому випадку ланцюгова реакція припиняється. Отже, таку реакцію також не можна використовувати для виробництва електроенергії.

У мирних цілях можна використовувати енергію тільки такої ланцюгової реакції, в якій кількість нейтронів не змінюється з часом.

Як же досягти того, щоб число нейтронів постійно залишалося постійним? Для вирішення цієї проблеми потрібно знати, які фактори впливають на збільшення та зменшення загальної кількості вільних нейтронів у шматку урану, в якому протікає ланцюгова реакція.

Одним із таких факторів є маса урану. Справа в тому, що не кожен нейтрон, випромінюваний при розподілі ядра, викликає розподіл інших ядер (див. рис. 163). Якщо маса (і відповідно розміри) шматка урану занадто мала, багато нейтрони вилетять його межі, не встигнувши зустріти своєму шляху ядро, викликати його розподіл і породити в такий спосіб нове покоління нейтронів, необхідні продовження реакції. У цьому випадку ланцюгова реакція припиниться. Щоб реакція не припинялася, потрібно збільшити масу урану до певного значення, що називається критичним.

Чому при збільшенні маси ланцюгова реакція стає можливою? Чим більша маса шматка, тим більші його розміри і тим довший шлях, який проходять у ньому нейтрони. При цьому ймовірність зустрічі нейтронів із ядрами зростає. Відповідно збільшується кількість поділів ядер і кількість нейтронів, що випромінюються.

При критичній масі урану число нейтронів, що з'явилися при розподілі ядер, стає рівним числу втрачених нейтронів (тобто захоплених ядрами без поділу і тих, що вилетіли за межі шматка).

Тому їх загальна кількість залишається незмінною. При цьому ланцюгова реакція може йти тривалий час, не припиняючись і не набуваючи вибухового характеру.

• Найменша маса урану, при якій можливе протікання ланцюгової реакції, називається критичною масою

Якщо маса урану більша критичної, то в результаті різкого збільшення числа вільних нейтронів ланцюгова реакція призводить до вибуху, а якщо менше критичної, то реакція не протікає через нестачу вільних нейтронів.

Зменшити втрату нейтронів (які вилітають з урану, не прореагувавши з ядрами) можна не тільки за рахунок збільшення маси урану, але і за допомогою спеціальної оболонки, що відбиває. Для цього шматок урану поміщають в оболонку, зроблену з речовини, що добре відображає нейтрони (наприклад, берилію). Відбиваючись від цієї оболонки, нейтрони повертаються в уран і можуть брати участь у розподілі ядер.

Існує ще кілька чинників, яких залежить можливість протікання ланцюгової реакції. Наприклад, якщо шматок урану містить дуже багато домішок інших хімічних елементів, вони поглинають більшу частину нейтронів і реакція припиняється.

Наявність в урані так званого сповільнювача нейтронів також впливає перебіг реакції. Справа в тому, що ядра урану-235 з найбільшою ймовірністю діляться під дією повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони уповільнити, то більша частина їх захопиться ядрами урану-235 з наступним розподілом цих ядер. Як сповільнювачі використовуються такі речовини, як графіт, вода, важка вода (до складу якої входить дейтерій - ізотоп водню з масовим числом 2), і деякі інші. Ці речовини лише уповільнюють нейтрони, майже не поглинаючи їх.

Таким чином, можливість протікання ланцюгової реакції визначається масою урану, кількістю домішок у ньому, наявністю оболонки та сповільнювача та деякими іншими факторами.

Критична маса кулястого шматка урану-235 приблизно дорівнює 50 кг. При цьому його радіус складає всього 9 см, оскільки уран має дуже велику густину.

Застосовуючи сповільнювач і відбиває оболонку і зменшуючи кількість домішок, вдається знизити критичну масу урану до 0,8 кг.

Запитання

1. Чому розподіл ядра може розпочатися лише тоді, коли він деформується під дією поглиненого ним нейтрона?
2. Що утворюється внаслідок розподілу ядра?
3. У яку енергію переходить частина внутрішньої енергії ядра за його розподілі; кінетична енергія уламків ядра урану при їх гальмуванні у навколишньому середовищі?
4. Як йде реакція поділу ядер урану - із виділенням енергії у навколишнє середовище чи, навпаки, із поглинанням енергії?
5. Розкажіть про механізм протікання ланцюгової реакції, використовуючи рисунок 163.
6. Що називається критичною масою урану?
7. Чи можливе перебіг ланцюгової реакції, якщо маса урану менше критичної; більше критичної? Чому?

Ядерні реакції розподілу ядра- Реакції поділу, що полягають у тому, що важке ядро ​​під дією нейтронів, а як згодом виявилося, та інших частинок ділиться на кілька легших ядер (уламків), найчастіше на два ядра, близьких по масі.

Особливістю поділу ядер є те, що воно супроводжується випромінюванням двох-трьох вторинних нейтронів, званих нейтронами поділу.Так як для середніх ядер число нейтронів приблизно дорівнює числу протонів ( N/Z ≈ 1), а важких ядер число нейтронів значно перевищує число протонів ( N/Z ≈ 1,6), то осколки поділу, що утворилися, перевантажені нейтронами, в результаті чого вони і виділяють нейтрони поділу. Однак випромінювання нейтронів поділу не усуває повністю навантаження ядер-уламків нейтронами. Це призводить до того, що уламки виявляються радіоактивними. Вони можуть зазнати ряду β-перетворень, що супроводжуються випромінюванням γ-квантів. Оскільки β-розпад супроводжується перетворенням нейтрону в протон, то після ланцюжка β-перетворень співвідношення між нейтронами і протонами в осколку досягне величини, що відповідає стабільному ізотопу. Наприклад, при розподілі ядра урану U

U + n →Хе + Sr +2 n(265.1)

уламок розподілу Хе в результаті трьох актів β - -розпаду перетворюється на стабільний ізотоп лантану La:

Хе → Cs → Ba → La.

Уламки поділу можуть бути різноманітними, тому реакція (265.1) не єдина, що веде до поділу U.

Більшість нейтронів при розподілі випускається практично миттєво ( t≤ 10 –14 c), а частина (близько 0,7%) випускається уламками розподілу через деякий час після розподілу (0,05 c ≤ t≤ 60 с). Перші з них називаються миттєвими,другі – запізнюється.У середньому кожний акт розподілу припадає 2,5 випущених нейтронів. Вони мають порівняно широкий енергетичний спектр у межах від 0 до 7 МеВ, причому на один нейтрон у середньому припадає енергія близько 2 МеВ.

Розрахунки показують, що розподіл ядер має супроводжуватися також виділенням великої кількості енергії. Справді, питома енергія зв'язку для ядер середньої маси становить приблизно 8,7 МеВ, тоді як важких ядер вона дорівнює 7,6 МеВ. Отже, при розподілі важкого ядра на два уламки повинна звільнятися енергія, що дорівнює приблизно 1,1 МеВ на один нуклон.

В основу теорії розподілу атомних ядер (Н. Бор, Я. І. Френкель) покладено краплинну модель ядра. Ядро сприймається як крапля електрично зарядженої несжимаемой рідини (зі щільністю, рівної ядерної, і підпорядковується законам квантової механіки), частки якої у попаданні нейтрона в ядро ​​в коливальний рух, у результаті ядро ​​розривається дві частини, розлітаються з величезної енергією.

Імовірність розподілу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичні нейтрони викликають розподіл практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в кілька мега-електрон-вольт – лише важких ядер ( А>210), Нейтрони, що мають енергією активації(Мінімальною енергією, необхідною для здійснення реакції поділу ядра) порядку 1 МеВ, викликають розподіл ядер урану U, торію Тh, протактинія Pa, плутонію Pu. Тепловими нейтронами діляться ядра U, Pu, і U, Th (два останні ізотопи в природі не зустрічаються, вони виходять штучним шляхом).

Вторинні нейтрони, що випускаються при розподілі ядер, можуть викликати нові акти поділу, що уможливлює здійснення ланцюгової реакції поділу- Ядерної реакції, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження kнейтронів, який дорівнює відношенню числа нейтронів у даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовоюдля розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k ≥ 1.

Виявляється, що не всі вторинні нейтрони, що утворюються, викликають подальше розподіл ядер, що призводить до зменшення коефіцієнта розмноження. По-перше, через кінцеві розміри активної зони(простір, де відбувається цінна реакція) і великий проникаючої здатності нейтронів частина їх покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, що не діляться, завжди присутніх в активній зоні Крім того, поряд з поділом можуть мати місце конкуруючі процеси радіаційного захоплення і непружного розсіювання.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу - від його кількості, а також розмірів і форми активної зони. Мінімальні розміри активної зони, за яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називаються критичними розмірами.Мінімальна маса речовини, що ділиться, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгової реакції,називається критичною масою.

Швидкість розвитку ланцюгових реакцій різна. Нехай Т -середній час

життя одного покоління, а N- Число нейтронів у цьому поколінні. У наступному поколінні їхнє число дорівнює kN,Т. е. приріст числа нейтронів за одне покоління dN = kN - N = N(k – 1). Приріст числа нейтронів за одиницю часу, тобто швидкість наростання ланцюгової реакції,

. (266.1)

Інтегруючи (266.1), отримаємо

,

де N 0- Число нейтронів у початковий момент часу, а N- їх кількість у момент часу t. Nвизначається знаком ( k- 1). При k>1 йде реакція, що розвивається,кількість поділів безперервно зростає і реакція може стати вибуховою. При k=1 йде самопідтримувана реакція,при якій кількість нейтронів з часом не змінюється. При k <1 идет загасаюча реакція,

Ланцюгові реакції дпяться на керовані та некеровані. Вибух атомної бомби, наприклад, є некерованою реакцією. Щоб атомна бомба при зберіганні не вибухнула, у ній U (або Pu) ділиться на дві віддалені одна від одної частини з масами нижче критичних. Потім за допомогою звичайного вибуху ці маси зближуються, загальна маса речовини, що ділиться, стає більш критичною і виникає вибухова ланцюгова реакція, що супроводжується миттєвим виділенням величезної кількості енергії і великими руйнуваннями. Вибухова реакція починається з допомогою наявних нейтронів спонтанного поділу чи нейтронів космічного випромінювання. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.