Модель процесу розподілу ядер урану. Типи ядерних реакцій

2. Яку енергію називають енергетичним виходом реакції? Як оцінити енергетичний вихід реакції поділу?

3. Якою величиною характеризують швидкість ланцюгової реакції? Запишіть необхідну умову розвитку ланцюгової реакції.

4. Яку реакцію поділу називають самопідтримуючою? Коли вона з'являється?

5. Проведіть оцінку критичного розміру активної зони та критичної маси.

N – концентрація ядер. Число зіткнень нейтрону з ядрами за одиницю часу n.

Розподіл ядер урану відбувається наступним чином:спочатку в ядро ​​потрапляє нейтрон, наче куля в яблуко. У випадку з яблуком куля зробила б у ньому дірку, або рознесла на шматки. Коли ж нейтрон потрапляє у ядро, він захоплюється ядерними силами. Нейтрон, як відомо, нейтральний, тому він не відштовхується електростатичними силами.

Як відбувається розподіл ядра урану

Отже, потрапивши до складу ядра, нейтрон порушує рівновагу і ядро ​​порушується. Воно розтягується в сторони подібно до гантелі або знака «нескінченність»: ∞ . Ядерні сили, як відомо, діють на відстані, порівнянному з розмірами частинок. Коли ядро ​​розтягується, то дія ядерних сил стає несуттєвою для крайніх частинок «гантелі», тоді як електричні сили діють такій відстані дуже потужно, і ядро ​​просто розривається на частини. При цьому ще випромінюється два-три нейтрони.

Уламки ядра і нейтрони, що виділилися, розлітаються на величезній швидкості в різні боки. Осколки досить швидко гальмуються навколишнім середовищем, проте їхня кінетична енергія величезна. Вона перетворюється на внутрішню енергію середовища, яке нагрівається. При цьому величина енергії, що виділяється, величезна. Енергія, отримана при повному розподілі одного грама урану, приблизно дорівнює енергії, що отримується від спалювання 2,5 тонн нафти.

Ланцюгова реакція поділу кількох ядер

Ми розглянули поділ одного ядра урану. При розподілі виділилося кілька (найчастіше два-три) нейтронів. Вони на великій швидкості розлітаються в сторони і можуть запросто потрапити до ядр інших атомів, викликавши в них реакцію поділу. Це і є ланцюгова реакція.

Тобто отримані в результаті розподілу ядра нейтрони збуджують і примушують ділитися інші ядра, які в свою чергу самі випромінюють нейтрони, які продовжують стимулювати розподіл далі. І так доти, доки не відбудеться поділ всіх ядер урану в безпосередній близькості.

При цьому ланцюгова реакція може відбуватися лавиноподібнонаприклад, у разі вибуху атомної бомби. Кількість поділів ядер збільшується у геометричній прогресії за короткий проміжок часу. Однак ланцюгова реакція може відбуватися і із загасанням.

Справа в тому, що не всі нейтрони зустрічають на своєму шляху ядра, які вони спонукають ділитися. Як ми пам'ятаємо, усередині речовини основний обсяг займає порожнеча між частинками. Тому деякі нейтрони пролітають усю речовину наскрізь, не зіткнувшись по дорозі ні з чим. І якщо кількість поділів ядер зменшується з часом, то реакція поступово згасає.

Ядерні реакції та критична маса урану

Від чого залежить тип реакції?Від маси урану. Чим більше маса - тим більше часток зустріне на своєму шляху нейтрон, що летить, і шансів потрапити в ядро ​​у нього більше. Тому розрізняють «критичну масу» урану - це така мінімальна маса, за якої можливе протікання ланцюгової реакції.

Кількість нейтронів, що утворилися, дорівнюватиме кількості нейтронів, що відлетіли зовні. І реакція протікатиме з приблизно однаковою швидкістю, поки виробиться весь обсяг речовини. Це використовують на практиці на атомних електростанціях і називають керованою ядерною реакцією.

Реакції поділу ядер.

Перетворення ядер під час взаємодії з елементарними частинками чи друг з одним називають ядерними реакціями.Ядерні реакції є основним методом вивчення структури ядер та їх властивостей. Ядерні реакції підпорядковуються законам збереження: електричного заряду, баріонного заряду, лептонного заряду, енергії, імпульсута ін. Наприклад, закон збереження баріонного заряду зводиться тому, що сумарна кількість нуклонів не змінюється внаслідок ядерної реакції.

Ядерні реакції можуть протікати з виділенням чи поглинанням енергії Q, що у 10 6 разів перевищує енергію хімічних реакцій. Якщо Q> 0 відбувається виділення енергії (екзотермічна реакція). Наприклад,

При Q < 0 – поглощение энергии (ендотермічна реакція). Наприклад,

Ядерні реакції характеризуються ефективним перерізом реакції(якщо радіус ядра більший, ніж довжина хвилі де Бройля частки).

Вихід ядерної реакції W- Відношення числа актів ядерної реакції D Nдо частинок N, що впали на 1 см 2 мішені, тобто.

,

де n- Концентрація ядер.

Багато ядерних реакцій при невисоких енергіях проходять через стадію освіти складеного ядра. Так, щоб нейтрон пролетів крізь ядро ​​зі швидкістю 10 7 м/с, потрібен час порядку t=10 –22 с. Час реакції становить 10 - 16 -10 - 12 с або (10 6 -10 10)t. Це означає, що між нуклонами в ядрі станеться велика кількість зіткнень і утворюється проміжний стан – складове ядро. Характерний час t використовується під час аналізу процесів, які у ядрі.

При зменшенні швидкості нейтрона збільшується час взаємодії його з ядром і ймовірність його захоплення ядром, оскільки ефективний переріз обернено пропорційно швидкості частки (). Якщо сумарна енергія нейтрону та вихідного ядра лежить в області розташування енергетичних смуг складового ядра, то ймовірність утворення квазістаціонарного рівня енергії складового ядра особливо велика. Перетин ядерних реакцій за таких енергіях частинок різко зростає, утворюючи резонансні максимуми. У таких випадках ядерні реакції називають резонансними. Резонансний переріз захоплення теплових (повільних) нейтронів ( kТ» 0,025 еВ) може ~10 6 разів перевищувати геометричний переріз ядра

Після захоплення частинки, складове ядро ​​знаходиться у збудженому стані протягом ~10 - 14 с, потім випромінює якусь частинку. Можливо кілька каналів радіоактивного розпаду складеного ядра. Можливий і конкуруючий процес – радіаційного захоплення, коли після захоплення ядром частки воно перетворюється на збуджений стан, потім, випустивши g-квант, перетворюється на основний стан. При цьому може утворитися складове ядро.

Сили кулонівського відштовхування між позитивно зарядженими частинками ядра (протонами) не сприяють, а перешкоджають виходу цих частинок з ядра. Це пов'язано із впливом відцентрового бар'єру. Пояснюється це тим, що силам відштовхування відповідає позитивна енергія. Вона збільшує висоту та ширину кулонівського потенційного бар'єру. Вихід позитивно зарядженої частки з ядра є підбар'єрний процес. Він тим менш ймовірний, що вищий і ширший потенційний бар'єр. Особливо це суттєво для середніх та важких ядер.

Наприклад, ядро ​​ізотопу урану, захопивши нейтрон, утворює складове ядро, яке потім поділяється на дві частини. Під впливом кулонівських сил відштовхування ці частини розлітаються з великою кінетичною енергією ~200 МеВ, оскільки у разі електричні сили перевищують ядерні сили тяжіння. При цьому уламки радіоактивні і знаходяться у збудженому стані. Переходячи в основний стан, вони випускають миттєві і нейтрони, що запізнюються, а також g-кванти та ін. частинки. Нейтрони, що вилетіли, називають вторинними.

З усіх виділених при розподілі ядер звільняється миттєво ~99% нейтронів, але в частку нейтронів, що запізнюються, припадає ~0,75%. Незважаючи на це, нейтрони, що запізнюються, використовують в ядерній енергетиці, так як вони дозволяють зробити керованими ядерні реакції. Найбільш ймовірно поділ урану на уламки, один з яких приблизно в півтора рази важчий за інший. Це впливом ядерних нейтронних оболонок, оскільки ядру енергетично вигідніше ділитися те щоб число нейтронів у кожному з уламків було близько одного з магічних чисел – 50 чи 82. Як такі уламків може бути, наприклад, ядра і .

Різниця між максимальним значенням потенційної енергії E р(r) та її значенням при для стабільних ядер називають енергією активації. Тому для поділу ядра необхідно повідомити йому не меншу енергію енергії активації. Цю енергію приносять нейтрони, при поглинанні яких утворюються збуджені складові ядра.

Дослідження показали, що ядра ізотопу зазнають поділу після захоплення будь-яких, у тому числі і теплових, нейтронів. Для розподілу ізотопу урану потрібні швидкі нейтрони з енергією більше 1 МеВ. Таку відмінність у поведінці ядер пов'язують із ефектом спарювання нуклонів.

Можливе і спонтанне розподіл радіоактивних ядер за відсутності зовнішнього збудження, яке спостерігалося в 1940 р. У цьому випадку розподіл ядра може статися шляхом просочування продуктів розподілу через потенційний бар'єр в результаті тунельного ефекту. Інший характерною особливістю ядерних реакцій, що протікають через складове ядро, за певних умов, є симетрія в системі центру мас кутового розподілу частинок, що розлітаються, які утворюються при розпаді складового ядра.

Можливі і прямі ядерні реакції, наприклад,

яка використовується для одержання нейтронів.

При розподілі важких ядер звільняється енергія, що дорівнює в середньому ~200 МеВ на кожне ядро, що ділиться, яку називають ядерною чи атомною енергією. Одержання такої енергії провадиться в ядерних реакторах.

Природний уран містить 99,3% ізотопу та 0,7% ізотопу, який і є ядерним пальним. Ізотопи урану та торію є сировинними матеріалами, з яких штучно виходять ізотоп і ізотоп, які є також ядерним паливом і в природному стані в природі не зустрічаються. Ізотоп плутонію отримують, наприклад, реакції

Ізотоп урану отримують, наприклад, реакції

де означає реакцію

.
Ізотопи ядер і діляться лише швидкими нейтронами з енергією > 1МеВ.

Важливою величиною, що характеризує ядро, що ділиться, є середнє число вторинних нейтронів, яке для здійснення ланцюгової ядерної реакції поділуатомних ядер має бути не менше 1. У таких реакціях атомних ядер відтворюються нейтрони.

Ланцюгова реакція практично здійснюється на збагаченому урані в ядерних реакторах. У збагаченому урані вміст ізотопу урану шляхом поділу ізотопів доведено до 2-5%. Обсяг, який займає речовина, що ділиться, називають активною зоноюреактора. Для природного урану коефіцієнт розмноження теплових нейтронів k=1,32. Для зменшення швидкості швидких нейтронів до швидкості теплових використовують сповільнювачі (графіт, воду, берилій та ін.).

Існують різні види ядерних реакторів залежно від призначення та потужності. Наприклад, експериментальні реактори для отримання нових трансуранових елементів та ін.

В даний час в ядерній енергетиці використовують реактори-розмножувачі (бридерні реактори),в яких відбувається не тільки вироблення енергії, а й розширене відтворення речовини, що ділиться. Вони застосовують збагачений уран з досить високим вмістом (до 30%) ізотопу урану.

Такі реактори – розмножувачівикористовують для вироблення енергії на атомних електростанціях. Основним недоліком атомних електростанцій є накопичення радіоактивних відходів. Проте, порівняно з електростанціями на вугільному паливі, атомні електростанції більш екологічно чисті.

Урок з фізики у 9 класі

«Поділ ядер урану. Ланцюгова реакція"

Мета уроку:ознайомити учнів із процесом розподілу атомних ядер урану, механізмом протікання ланцюгової реакції.

Завдання:

освітні:

вивчити механізм розподілу ядер урану-235; запровадити поняття критичної маси; визначити фактори, що визначають перебіг ланцюгової реакції.

виховні:

підвести учнів до розуміння значимості наукових відкриттів небезпеки, яка може виходити від наукових досягнень при бездумному, безграмотному чи аморальному відношенні з ними.

розвиваючі:

розвиток логічного мислення; розвиток монологічного та діалогічного мовлення; розвиток у учнів розумових операцій: аналізу, порівняння, навчання. Формування уявлення про цілісність картини світу

Тип уроку:урок засвоєння нових знань.

Компетенції, формування яких спрямований урок:

ціннісно-смислові - здатність бачити і розуміти навколишній світ,

загальнокультурні - освоєння учнем наукової картини світу,

навчально-пізнавальні - вміння відрізняти факти від домислів,

Комунікативні - навички роботи у групі, володіння різними соціальними ролями у колективі,

компетенції особистісного самовдосконалення-культури мислення та поведінки

Хід уроку: 1. Організаційний момент.

Настав новий урок. Я посміхнуся вам, а ви посміхнетесь один до одного. І подумаєте: як добре, що ми сьогодні тут усі разом. Ми скромні та добрі, привітні та ласкаві. Ми всі здорові. - Глибоко вдихніть та видихніть. Видихніть вчорашню образу, злість і занепокоєння. Я бажаю всім нам гарного уроку .

2. Перевірка домашнього завдання.

Тест.

1. Який заряд має ядро?

1) позитивний 2) негативний 3) ядро ​​заряду немає

2. Що таке альфа – частка?

1) електрон 2) ядро ​​атом гелію

3) електромагнітне випромінювання

3. Скільки протонів і нейтронів містить ядро ​​атома бериліюBe

1) Z = 9, N = 4 2) Z = 5, N = 4 3) Z = 4, N = 5

4. Ядро якого хімічного елемента утворюється за α – розпаду радію?

Ra →? + He.

1) радону 2) урану 3) фермій

5. Маса ядра завжди … суми мас нуклонів, з яких воно складається.

1) більше 2) дорівнює 3) менше

6. Нейтрон – це частка,

1) має заряд +1, атомну масу 1;

2) має заряд - 1, атомну масу 0;

3) має заряд 0, атомну масу 1.

7.Вкажіть другий продукт ядерної реакції

Відповіді: Варіант 1. 1) 1; 2) 2; 3)3; 4) 1; 5) 3; 6) 3; 7)3.

8. Як електрично взаємодіють один з одним протони в ядрі?

9. Що таке дефект мас? Записати формулу.

10. Що таке енергія зв'язку? Записати формулу.

Вивчення нового матеріалу.

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?

У 1939 році німецькими вченими Отто Ганом і Фріцем Штрассманом було відкрито поділ ядер урану. Вони встановили, що з бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи – радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), криптону (Z = 36) та інших.

Розглянемо докладніше процес поділу ядра урану під час бомбардування нейтроном на малюнку. Нейтрон, потрапляючи у ядро ​​урану, поглинається ним. Ядро збуджується і починає деформуватися подібно до рідкої краплі.

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. Оскільки протон заряджений позитивно, отже, з-поміж них 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 та випромінюють при цьому 2-3 нейтрони.

Воно розтягується доти, доки електричні сили відштовхування не почнуть переважати над ядерними. Ядро розривається на два уламки, викидаючи при цьому два або три нейтрони. Такою є технологія поділу ядра урану.

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.

(Слайд 13)

Уран зустрічається у природі як двох ізотопів: U (99,3 %) і U (0,7 %). При цьому реакція розподілу U найбільш інтенсивно йде на повільних нейтронах, тоді як ядра U просто поглинають нейтрон, і розподіл не відбувається. Тому основний інтерес реакція поділу ядра U. 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:

Зазначимо, що енергія, що виділяється при розподілі ядер урану величезна. Наприклад, при повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 кг урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3000 т вугілля. При цьому ця енергія може виділитись миттєво.

(Слайд 14)

З'ясували, що станеться з уламками, а як поведуться нейтрони?

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. (Запис у зошит: Ланцюгова ядерна реакція- послідовність ядерних реакцій, кожна з яких викликається часткою, що виникла як продукт реакції на попередньому етапі послідовності). Схема розвитку ланцюгової реакції поділу ядер урану розглянемо докладніше по відеофрагменті в уповільненому темпі для детальнішого розгляду

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

– До вибуху.

Чому?

- 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.

(Слайд 15)

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 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?

Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноженнянейтронів був більше одиниці. Інакше кажучи, у кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж у попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається як числом нейтронів, які утворюються у кожному елементарному акті, а й умовами, у яких протікає реакція – частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами чи виходити із зони реакції. Нейтрони, що звільнилися при розподілі ядер урану-235, здатні викликати розподіл лише ядер цього ж урану, частку якого у природному урані припадає лише 0,7 %. Така концентрація виявляється недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ізотоп також може поглинати нейтрони, але при цьому не виникає ланцюгової реакції.

(Запис у зошит: Коефіцієнт розмноження нейтронівk - відношення числа нейтронів наступного покоління до попереднього покоління у всьому обсязі розмножуючої нейтрони середовища)

Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом урану-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні. Для чистого урану-235 критична маса становить близько 50 кг.

(Запис у зошит: Критична маса- мінімальна кількість речовини, що ділиться, необхідна для початку самопідтримується ланцюгової реакції поділу).

(Слайд 16)

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 H 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 або вуглецю нейтрони сповільнюються.

Застосування уповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г (0,25 кг).

Запис у зошит:

Критичну масу можна зменшити, якщо:

Використовувати сповільнювачі (графіт, звичайна та важка вода)

Відбиває оболонка (берилій).

А в атомних бомбах якраз ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу дещо нижчу за критичну.

Атомна бомба – це страшна зброя. Вражаючими факторами якої є: 1) Світлове випромінювання (включаючи сюди ренгенівське та теплове випромінювання); 2) ударна хвиля; 3) радіаційне зараження місцевості. Але розподіл ядер урану використовують і в мирних цілях – це атомні реактори на АЕС. Процеси, які у цих випадках ми розглянемо наступного уроці.

Середина 20 століття визначається акселерацією науки: фантастичним прискоренням, впровадженням наукових досягнень у виробництво та наше життя. Все це змушує нас задуматися – що дасть нам наука завтра?
Полегшити всі тяготи існування людини – ось основна мета справді прогресивної науки. Зробити людство щасливішим – жодного, не двох, а саме людства. І це дуже важливо, тому що, як відомо, наука може виступити і проти людини. Атомний вибух у японських містах – Хіросіма та Нагасакі – трагічний тому приклад.

Отже, 1945, серпень. Друга світова війна йде до завершення.

(Слайд 2)

6 серпня о 1:45 американський бомбардувальник B-29 під командуванням полковника Пола Тіббетса, злетів з острова, що знаходився приблизно за 6 годин літа від Хіросіми.

(Слайд 3)

Хіросіма після атомного вибуху.

Чия там бродить тінь незримо,
Від біди засліпила?
Це плаче Хіросіма
У хмарах із попелу.
Чий там голос у жаркій темряві
Чути несамовитий?
Це плаче Нагасакі
На землі спаленою
У цьому плачі та риданні
Жодної немає фальші,
Світ весь завмер в очікуванні -
Хто заплаче далі?

(Слайд 4)

Кількість загиблих від безпосереднього впливу вибуху становила від 70 до 80 тисяч людей. До кінця 1945 року, у зв'язку з дією радіоактивного зараження та інших постефектів вибуху, загальна кількість загиблих становила від 90 до 166 тисяч осіб. Через 5 років загальна кількість загиблих досягла 200 000 осіб.

(Слайд 5)

6 серпня, після отримання звістки про успішне проведення атомного бомбардування Хіросіми, Президент США Трумен заявив, що

«Ми зараз готові знищити, ще швидше і повніше, ніж раніше, всі наземні виробничі потужності японців у будь-якому місті. Ми знищимо їхні доки, їхні фабрики та їхні комунікації. Нехай не буде ніякого непорозуміння – ми повністю знищимо здатність Японії вести війну»

(Слайд 6)

О 2:47 9 серпня американський бомбардувальник B-29 під командуванням майора, який ніс на борту атомну бомбу, злетів із острова. О 10:56 В-29 прибув до Нагасакі. Вибух стався об 11:02 за місцевим часом.

(Слайд 7)

Кількість загиблих до кінця 1945 року становила від 60 до 80 тисяч жителів. Через 5 років загальна кількість загиблих, з урахуванням померлих від раку та інших довгострокових впливів вибуху, могла досягти або навіть перевищити 140 000 осіб.

Така історія, сумна та застерігаюча

Кожна людина – не є острів,

кожна людина – частина великого континенту.
І ніколи не питай, по кому дзвонить дзвін.
Він дзвонить по тобі...

Закріплення.

Із чим ми познайомилися сьогодні на уроці? (З механізмом поділу ядер урану, з ланцюговою реакцією)

Які умови протікання ланцюгової реакції?

Що таке критична маса?

Що таке коефіцієнт розмноження?

Що є сповільнювачем нейтронів?

Рефлексія.

З яким настроєм ви йдете з уроку?

Оцінювання.

Домашнє завдання: п. 74,75, питання стор.252-253

Поділ ядра- процес розщеплення атомного ядра на два (рідше три) ядра з близькими масами, які називають осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати й інші продукти реакції: легкі ядра (в основному альфа-частинки), нейтрони та гамма-кванти. Поділ буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, насамперед, з нейтронами). Розподіл важких ядер - екзотермічний процес, у результаті якого вивільняється велика кількість енергії як кінетичної енергії продуктів реакції, і навіть випромінювання. Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї. Процес поділу може протікати тільки в тому випадку, коли потенційна енергія початкового стану ядра, що ділиться, перевищує суму мас уламків поділу. Оскільки питома енергія зв'язку важких ядер зменшується зі збільшенням їхньої маси, ця умова виконується майже всім ядер з масовим числом .

Однак, як показує досвід, навіть найважчі ядра діляться мимоволі з дуже малою ймовірністю. Це означає, що існує енергетичний бар'єр ( бар'єр поділу), що перешкоджає поділу. Для опису процесу розподілу ядер, включаючи обчислення бар'єру розподілу, використовується кілька моделей, але жодна з них не дозволяє пояснити процес повністю.

Те, що при розподілі важких ядер виділяється енергія, безпосередньо випливає із залежності питомої енергії зв'язку ε = E св (A,Z)/A від масового числа А. При розподілі важкого ядра утворюються легші ядра, у яких нуклони пов'язані сильніше, і частина енергії при розподілі вивільняється. Зазвичай, розподіл ядер супроводжується вильотом 1 – 4 нейтронів. Виразимо енергію поділу Q справ через енергії зв'язку початкового та кінцевих ядер. Енергію початкового ядра, що складається з протонів Z і N нейтронів, і має масу M(A,Z) і енергію зв'язку E св (A,Z), запишемо в наступному вигляді:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E св (A,Z).

Розподіл ядра (A,Z) на 2 уламки (A 1 ,Z 1) і (А 2 ,Z 2) супроводжується утворенням N n = A – A 1 – A 2 миттєвих нейтронів. Якщо ядро ​​(A,Z) розділилося на уламки з масами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) та енергіями зв'язку E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 , Z 2), то для енергії поділу маємо вираз:

Q діл = (M(A,Z) – )c 2 = E св 1 (A 1 ,Z 1) + E св (A 2 ,Z 2) – E св (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2 .

23. Елементарна теорія поділу.

У 1939 р. Н. Борі Дж.Вілер, а також Я. Френкельще задовго до того, як розподіл було всебічно вивчено експериментально, запропонували теорію цього процесу, засновану на уявленні про ядро ​​як краплю зарядженої рідини.

Енергія, що звільняється при розподілі, може бути отримана безпосередньо з Формули Вайцзеккера.

Розрахуємо величину енергії, що виділяється при розподілі важкого ядра. Підставимо в (f.2) вирази для енергій зв'язку ядер (f.1), вважаючи А 1 =240 і Z 1 = 90. Нехтуючи останнім членом (f.1) внаслідок його малості і підставивши значення параметрів a 2 і a 3 ,отримуємо

Звідси отримаємо, що розподіл енергетично вигідно, коли Z2/A>17. Величина Z2/A називається параметром ділимості. Енергія Е, що звільняється при розподілі, зростає зі збільшенням Z 2 /A; Z 2 /A = 17 для ядер у районі ітрію та цирконію. З отриманих оцінок видно, що розподіл енергетично вигідно всім ядер з A > 90. Чому більшість ядер стійко стосовно мимовільному поділу? Щоб відповісти на це питання, подивимося, як змінюється форма ядра у процесі розподілу.

Розглянемо початкову стадію поділу, коли ядро ​​зі збільшенням r набуває форми все більш витягнутого еліпсоїда обертання. У цій стадії розподілу r - міра відхилення ядра від сферичної форми (рис.3). Внаслідок еволюції форми ядра зміна його потенційної енергії визначається зміною суми поверхневої та кулонівської енергій Е"п+Е" до. Передбачається, що обсяг ядра в процесі деформації залишається незмінним. Поверхнева енергія Е" при цьому зростає, так як збільшується площа поверхні ядра. Кулонівська енергія Е" до зменшується, так як збільшується середня відстань між нуклонами. Нехай сферичне ядро ​​внаслідок незначної деформації, що характеризується малим параметром, набуло форми аксіально-симетричного еліпсоїда. Можна показати, що поверхнева енергія Е" п і кулонівська енергія Е" в залежності від змінюються наступним чином:

У разі малих еліпсоїдальних деформацій зростання поверхневої енергії відбувається швидше, ніж зменшення кулонівської енергії. В області важких ядер 2Е п>Е до сума поверхневої та кулонівської енергій збільшується із збільшенням. З (f.4) і (f.5) випливає, що при малих деформаціях еліпсоїдів зростання поверхневої енергії перешкоджає подальшій зміні форми ядра, а, отже, і поділу. Вираз (f.5) справедливо для малих значень (малих деформацій). Якщо деформація настільки велика, що ядро ​​набуває форми гантелі, то сили поверхневого натягу, як і кулонівські сили, прагнуть розділити ядро ​​і надати уламкам кулясту форму. На цій стадії поділу збільшення деформації супроводжується зменшенням як кулонівської, так і поверхневої енергії. Тобто. при поступовому збільшенні деформації ядра потенційна енергія проходить через максимум. Тепер r має сенс відстані між центрами майбутніх уламків. При видаленні осколків один від одного, потенційна енергія їхньої взаємодії буде зменшаться, оскільки зменшується енергія кулонівського відштовхування Е к. Залежність потенційної енергії від відстані між осколками показана на рис. 4. Нульовий рівень потенційної енергії відповідає сумі поверхневої та кулонівської енергій двох невзаємодіючих уламків. Наявність потенційного бар'єру перешкоджає миттєвому мимовільному поділу ядер. Для того щоб ядро ​​миттєво розділилося, йому необхідно повідомити енергію Q, що перевищує висоту бар'єру Н. Максимум потенційної енергії ядра, що ділиться приблизно дорівнює 2 Z 2 /(R 1 +R 2), де R 1 і R 2 - радіуси осколків. Наприклад, при розподілі ядра золота на два однакові уламки е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МеВ, а величина енергії Е, що звільняється при розподілі ( див. формулу (f.2)), дорівнює 132 МеВ. Таким чином, при розподілі ядра золота необхідно подолати потенційний бар'єр заввишки близько 40 МеВ. Висота бар'єру Н тим більша, чим менше відношення кулонівської та поверхневої енергії Е до /Е п у початковому ядрі. Це відношення, у свою чергу, збільшується зі збільшенням параметра подільності Z 2 /А ( див. (f.4)). Чим важче ядро, тим менша висота бар'єру Н , оскільки параметр подільності збільшується зі зростанням масового числа:

Тобто. згідно з крапельною моделлю в природі повинні бути відсутні ядра з Z 2 /А > 49, оскільки вони практично миттєво (за характерний ядерний час близько 10 -22 с) мимовільно діляться. Існування атомних ядер з Z 2 /А > 49 ("острів стабільності") пояснюється оболонковою структурою. Залежність форми, висоти потенційного бар'єру H та енергії поділу E від величини параметра подільності Z 2 /А показано на рис. 5.

Мимовільне розподіл ядер з Z 2 /А< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 років для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вимушений поділ ядер із Z 2 /А < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.