Каква е причината за деленето на урановите ядра. Деление на урановото ядро

клас

Урок № 42-43

Верижна реакция на делене на уранови ядра. Ядрена енергия и екология. Радиоактивност. Полуживот.

Ядрени реакции

Ядрената реакция е процес на взаимодействие атомно ядрос друго ядро ​​или елементарна частица, придружено от промяна в състава и структурата на ядрото и освобождаване на вторични частици или γ-кванти.

В резултат на ядрените реакции могат да се образуват нови радиоактивни изотопи, които не са на Земята vivo.

Първата ядрена реакция е проведена от Е. Ръдърфорд през 1919 г. в експерименти за откриване на протони в продуктите на ядрения разпад (вж. § 9.5). Ръдърфорд бомбардира азотните атоми с алфа частици. При сблъсък на частиците настъпва ядрена реакция, която протича по следната схема:

По време на ядрени реакции, няколко закони за опазване: импулс, енергия, ъглов импулс, заряд. В допълнение към тези класически закони за запазване, така нареченият закон за запазване важи в ядрените реакции. барионен заряд(тоест броят на нуклоните - протони и неутрони). Редица други закони за опазване, специфични за ядрена физикаи физика на елементарните частици.

Ядрените реакции могат да протичат, когато атомите са бомбардирани от бързо заредени частици (протони, неутрони, α-частици, йони). Първата реакция от този вид е проведена с помощта на високоенергийни протони, получени в ускорителя през 1932 г.:

където M A и M B са масите на изходните продукти, M C и M D са масите крайни продуктиреакции. Извиква се стойността ΔM масов дефект. Ядрените реакции могат да протичат с освобождаване (Q > 0) или с поглъщане на енергия (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

За да има ядрена реакция положителен енергиен добив, специфична енергия на свързваненуклоните в ядрата на изходните продукти трябва да са по-малки от специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрата на крайните продукти. Това означава, че ΔM трябва да е положително.

Има две основни различни начиниосвобождаване на ядрена енергия.

1. Деление на тежки ядра. За разлика от радиоактивния разпад на ядрата, придружен от излъчване на α- или β-частици, реакциите на делене са процес, при който нестабилно ядро ​​се разделя на два големи фрагмента със сравними маси.

През 1939 г. немските учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват деленето на уранови ядра. Продължавайки изследванията, започнати от Ферми, те открили, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, елементите от средната част периодична система– радиоактивни изотопи на барий (Z = 56), криптон (Z = 36) и др.

Уранът се среща в природата под формата на два изотопа: (99,3%) и (0,7%). Когато са бомбардирани от неутрони, ядрата на двата изотопа могат да се разделят на два фрагмента. В този случай реакцията на делене протича най-интензивно с бавни (термични) неутрони, докато ядрата влизат в реакция на делене само с бързи неутрони с енергия от порядъка на 1 MeV.

Основен интерес за ядрената енергияпредставлява реакцията на делене на ядро.В момента са известни около 100 различни изотопа с масови числа от около 90 до 145, произтичащи от деленето на това ядро. Две типични реакции на делене на това ядро ​​имат формата:

Имайте предвид, че в резултат на ядрено делене, инициирано от неутрон, се произвеждат нови неутрони, които могат да причинят реакции на делене в други ядра. Продуктите на делене на ядрата на уран-235 могат да бъдат и други изотопи на барий, ксенон, стронций, рубидий и др.

Кинетичната енергия, освободена при деленето на едно ураново ядро, е огромна - около 200 MeV. Енергията, освободена по време на ядрено делене, може да бъде оценена с помощта на специфична енергия на свързваненуклони в ядрото. Специфичната енергия на свързване на нуклони в ядра с масово число A ≈ 240 е около 7,6 MeV/нуклон, докато в ядра с масови числа A = 90–145 специфичната енергия е приблизително 8,5 MeV/нуклон. Следователно деленето на ураново ядро ​​освобождава енергия от порядъка на 0,9 MeV/нуклон, или приблизително 210 MeV на уранов атом. При пълното делене на всички ядра, съдържащи се в 1 g уран, се отделя същата енергия, както при изгарянето на 3 тона въглища или 2,5 тона нефт.

Продуктите на делене на урановото ядро ​​са нестабилни, тъй като съдържат значителен излишък от неутрони. Действително съотношението N/Z за най-тежките ядра е около 1,6 (фиг. 9.6.2), за ядра с масови числа от 90 до 145 това съотношение е около 1,3–1,4. Следователно фрагментните ядра изпитват серия от последователни β - разпада, в резултат на което броят на протоните в ядрото се увеличава, а броят на неутроните намалява, докато се образува стабилно ядро.

При деленето на ядрото на уран-235, което е причинено от сблъсък с неутрон, се отделят 2 или 3 неутрона. В благоприятни условиятези неутрони могат да ударят други уранови ядра и да ги накарат да се разделят. На този етап вече ще се появят от 4 до 9 неутрона, способни да причинят нови разпада на уранови ядра и т. н. Такъв лавинообразен процес се нарича верижна реакция. Схема за развитие верижна реакцияделенето на уранови ядра е показано на фиг. 9.8.1.

Фигура 9.8.1. Схема за развитие на верижна реакция.

За да настъпи верижна реакция е необходимо т.нар коефициент на размножаване на неутронитебеше по-голямо от единица. С други думи, във всяко следващо поколение трябва да има повече неутрони, отколкото в предишното. Коефициентът на умножение се определя не само от броя на неутроните, произведени при всяко елементарно събитие, но и от условията, при които протича реакцията – част от неутроните могат да бъдат погълнати от други ядра или да напуснат реакционната зона. Неутроните, освободени при деленето на ядрата на уран-235, могат да причинят само делене на ядра от същия уран, който представлява само 0,7% от естествения уран. Тази концентрация е недостатъчна за започване на верижна реакция. Изотопът също може да абсорбира неутрони, но не се случва верижна реакция.

верижна реакция в уран високо съдържаниеуран-235 може да се развие само когато масата на урана надвишава т.нар критична маса.В малки парченца уран повечето от неутроните, без да удрят някое ядро, излитат. За чист уран-235 критичната маса е около 50 кг. Критичната маса на урана може да се намали многократно с помощта на т.нар модераторинеутрони. Факт е, че неутроните, произведени по време на разпада на урановите ядра, имат твърде високи скорости, а вероятността за улавяне на бавни неутрони от ядра на уран-235 е стотици пъти по-голяма от тази на бързите. Най-добрият модератор на неутрони е тежка вода D 2 O. При взаимодействие с неутрони обикновената вода сама по себе си се превръща в тежка вода.

Добър модератор е и графитът, чиито ядра не абсорбират неутрони. При еластично взаимодействие с деутерий или въглеродни ядра, неутроните се забавят до топлинни скорости.

Използването на неутронни забавители и специална берилиева обвивка, която отразява неутроните, позволява да се намали критичната маса до 250 g.

IN атомни бомбинеконтролирана ядрена верижна реакция настъпва, когато бърза връзкадве парчета уран-235, всяко от които има маса малко под критичната.

Нарича се устройство, което поддържа контролирана реакция на ядрено делене ядрен(или атомен) реактор. Схемата на ядрен реактор на бавни неутрони е показана на фиг. 9.8.2.

Фигура 9.8.2. Схема на устройството на ядрен реактор.

Ядрената реакция протича в активната зона на реактора, която е изпълнена с модератор и пробита с пръчки, съдържащи обогатена смес от уранови изотопи с високо съдържание на уран-235 (до 3%). В ядрото се въвеждат контролни пръти, съдържащи кадмий или бор, които интензивно абсорбират неутроните. Въвеждането на пръти в сърцевината ви позволява да контролирате скоростта на верижната реакция.

Ядрото се охлажда от изпомпвана охлаждаща течност, която може да бъде вода или метал с ниска точка на топене (например натрий, който има точка на топене 98 °C). В парогенератора охлаждащата течност се прехвърля Термална енергиявода, превръщайки я в пара високо налягане. Парата се изпраща към турбина, свързана към електрически генератор. От турбината парата влиза в кондензатора. За да се избегне изтичане на радиация, веригите на охлаждащата течност I и парогенератора II работят в затворени цикли.

Турбината на атомна електроцентрала е топлинен двигател, който определя цялостната ефективност на централата в съответствие с втория закон на термодинамиката. За съвременните атомни електроцентрали ефективността е приблизително равна. Следователно за производството на 1000 MW електрическа силатоплинната мощност на реактора трябва да достигне 3000 MW. 2000 MW трябва да бъдат отнесени от водата, охлаждаща кондензатора. Това води до локално прегряване на естествените водни обекти и последващо възникване на екологични проблеми.

Но, основният проблемсе състои в осигуряване на пълна радиационна безопасност на хората, работещи в атомни електроцентрали и предотвратяване на случайни изпускания на радиоактивни вещества, които се натрупват в големи количества в активната зона на реактора. На този проблем се отделя голямо внимание при разработването на ядрени реактори. Въпреки това, след авариите в някои атомни електроцентрали, по-специално в атомната електроцентрала в Пенсилвания (САЩ, 1979 г.) и в атомната електроцентрала в Чернобил (1986 г.), проблемът за безопасността на ядрената енергия стана особено остър.

Наред с гореописания ядрен реактор, работещ на бавни неутрони, реакторите, работещи без забавител на бързи неутрони, представляват голям практически интерес. В такива реактори ядреното гориво е обогатена смес, съдържаща най-малко 15% от изотопа.Предимството на реакторите с бързи неутрони е, че по време на тяхната работа ядрата на уран-238, абсорбиращи неутрони, чрез два последователни β - разпада се превръщат в плутоний ядра, които след това могат да се използват като ядрено гориво:

Коефициентът на размножаване на такива реактори достига 1,5, тоест за 1 кг уран-235 се получава до 1,5 кг плутоний. Конвенционалните реактори също произвеждат плутоний, но в много по-малки количества.

Първият ядрен реактор е построен през 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. В нашата страна първият реактор е построен през 1946 г. под ръководството на И. В. Курчатов.

2. термоядрени реакции. Вторият начин за освобождаване на ядрена енергия е свързан с реакциите на синтез. По време на сливането на леките ядра и образуването на ново ядро ​​трябва да се освободи голямо количество енергия. Това се вижда от зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число А (фиг. 9.6.1). До ядрата с масов брой около 60, специфичната енергия на свързване на нуклоните нараства с увеличаване на A. Следователно сливането на всяко ядро ​​с A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакциите на синтез на леки ядра се наричат термоядрени реакции,тъй като те могат да текат само при много високи температури. За да влязат две ядра в реакция на синтез, те трябва да се приближат на разстояние на действие на ядрени сили от порядъка на 2·10 -15 m, преодолявайки електрическото отблъскване на положителните си заряди. За това, средната кинетична енергия термично движениемолекулите трябва да надвишават потенциалната енергия на кулоновото взаимодействие. Изчисляването на необходимата температура T за това води до стойност от порядъка на 10 8 –10 9 K. Това е изключително висока температура. При тази температура веществото е в напълно йонизирано състояние, което се нарича плазма.

Енергията, освободена при термоядрени реакции на нуклон, е няколко пъти по-висока от специфичната енергия, освободена при верижни реакции на ядрено делене. Така, например, в реакцията на синтез на ядра на деутерий и тритий

Освобождава се 3,5 MeV/нуклон. Общо при тази реакция се отделят 17,6 MeV. Това е една от най-обещаващите термоядрени реакции.

Изпълнение контролирани термоядрени реакциище даде на човечеството нов екологичен и практически неизчерпаем източник на енергия. Въпреки това, получаването на свръхвисоки температури и ограничаването на плазмата, нагрята до милиард градуса, е най-трудната научна и техническа задача по пътя към прилагането на контролирана термична ядрен синтез.

На този етапразвитието на науката и технологиите е само неконтролирана реакция на синтезвъв водородна бомба. Високата температура, необходима за ядрен синтез, се постига тук чрез детониране на конвенционална уранова или плутониева бомба.

Термоядрените реакции играят изключително важна роля в еволюцията на Вселената. Радиационната енергия на Слънцето и звездите е от термоядрен произход.

Радиоактивност

Почти 90% от известните 2500 атомни ядра са нестабилни. Едно нестабилно ядро ​​спонтанно се трансформира в други ядра с излъчване на частици. Това свойство на ядрата се нарича радиоактивност. За големите ядра нестабилността възниква поради конкуренцията между привличането на нуклони от ядрените сили и кулоновското отблъскване на протоните. Няма стабилни ядра със зарядно число Z > 83 и масово число A > 209. Но атомните ядра със значително по-ниски числа Z и A също могат да се окажат радиоактивни. Ако ядрото съдържа значително повече протони от неутроните, тогава се причинява нестабилност чрез излишък от енергията на кулоновото взаимодействие. Ядрата, които биха съдържали голям излишък от неутрони над броя на протоните, са нестабилни поради факта, че масата на неутрона надвишава масата на протона. Увеличаването на масата на ядрото води до увеличаване на неговата енергия.

Феноменът радиоактивност е открит през 1896 г. от френския физик А. Бекерел, който открива, че урановите соли излъчват неизвестна радиация, която може да проникне през бариери, които са непрозрачни за светлината и да предизвикат почерняване на фотографската емулсия. Две години по-късно френските физици М. и П. Кюри откриват радиоактивността на тория и откриват два нови радиоактивни елемента - полоний и радий

През следващите години много физици, включително Е. Ръдърфорд и неговите ученици, се занимават с изследване на природата на радиоактивното излъчване. Установено е, че радиоактивните ядра могат да излъчват частици от три вида: положително и отрицателно заредени и неутрални. Тези три вида радиация се наричат ​​α-, β- и γ-лъчение. На фиг. 9.7.1 е показана схемата на експеримента, която прави възможно откриването на сложния състав на радиоактивното излъчване. В магнитно поле α- и β-лъчите се отклоняват в противоположни посоки, а β-лъчите се отклоняват много повече. γ-лъчите в магнитно поле изобщо не се отклоняват.

Тези три вида радиоактивни лъчения се различават значително един от друг по способността си да йонизират атомите на материята и следователно по своята проникваща сила. α-лъчението има най-малка проникваща способност. Във въздуха, при нормални условия, α-лъчите преминават на разстояние от няколко сантиметра. β-лъчите се абсорбират много по-малко от материята. Те са в състояние да преминават през слой от алуминий с дебелина няколко милиметра. γ-лъчите имат най-висока проникваща способност, като могат да преминат през слой от олово с дебелина 5–10 cm.

През второто десетилетие на 20 век след откритието от Е. Ръдърфорд ядрена структураатоми, беше твърдо установено, че радиоактивността е свойство на атомните ядра. Проучванията показват, че α-лъчите представляват поток от α-частици - хелиеви ядра, β-лъчите са поток от електрони, γ-лъчите представляват къса вълна електромагнитно излъчванес изключително къса дължина на вълната λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Алфа разпад. Алфа разпадът е спонтанна трансформация на атомно ядро ​​с броя на протоните Z и неутроните N в друго (дъщерно) ядро, съдържащо броя на протоните Z - 2 и неутроните N - 2. В този случай се излъчва α-частица - ядрото на хелиевия атом. Пример за такъв процес е α-разпадът на радия:

Алфа-частиците, излъчвани от ядрата на радиевите атоми, са използвани от Ръдърфорд в експерименти за разсейване от ядрата на тежките елементи. Скоростта на α-частиците, излъчвани по време на α-разпадането на радиевите ядра, измерена по кривината на траекторията в магнитно поле, е приблизително равна на 1,5 10 7 m/s, а съответната кинетична енергия е около 7,5 10 -13 J (приблизително 4,8 MeV). Тази стойност може лесно да се определи от известни стойностимаси на родителското и дъщерното ядро ​​и ядрото на хелия. Въпреки че скоростта на изхвърлената α-частица е огромна, тя все още е само 5% от скоростта на светлината, така че изчислението може да използва нерелативистичен израз за кинетичната енергия.

Проучванията показват, че радиоактивното вещество може да излъчва α-частици с няколко дискретни енергийни стойности. Това се обяснява с факта, че ядрата могат да бъдат, подобно на атомите, в различни възбудени състояния. Дъщерното ядро ​​може да бъде в едно от тези възбудени състояния по време на α-разпад. При последващия преход на това ядро ​​в основно състояние се излъчва γ-квант. Схемата на α-разпад на радий с излъчване на α-частици с две стойности на кинетичните енергии е показана на фиг. 9.7.2.

По този начин α-разпадът на ядрата в много случаи е придружен от γ-лъчение.

В теорията на α-разпада се приема, че групи, състоящи се от два протона и два неутрона, тоест α-частица, могат да се образуват вътре в ядрата. Родителското ядро ​​е за α-частици потенциално кладенец, което е ограничено потенциална бариера. Енергията на α-частицата в ядрото е недостатъчна за преодоляване на тази бариера (фиг. 9.7.3). Изхвърлянето на α-частица от ядрото е възможно само поради квантово механично явление, наречено тунелен ефект. Според квантовата механика има ненулева вероятност частица да премине под потенциална бариера. Явлението тунелиране има вероятностен характер.

Бета разпад.При бета разпад от ядрото се излъчва електрон. Вътре в ядрата електроните не могат да съществуват (виж § 9.5), те възникват по време на β-разпад в резултат на трансформацията на неутрон в протон. Този процес може да се случи не само вътре в ядрото, но и със свободни неутрони. Средният живот на свободен неутрон е около 15 минути. Когато неутронът се разпада на протон и електрон

Измерванията показаха, че в този процес има очевидно нарушение на закона за запазване на енергията, тъй като общата енергия на протона и електрона, произтичащи от разпада на неутрона, е по-малка от енергията на неутрона. През 1931 г. В. Паули предполага, че при разпадането на неутрон се отделя друга частица с нулева маса и заряд, която отнема част от енергията. Новата частица е наречена неутрино(малък неутрон). Поради липсата на заряд и маса в неутрино, тази частица взаимодейства много слабо с атомите на материята, така че е изключително трудно да се открие в експеримент. Йонизиращата способност на неутрино е толкова малка, че един акт на йонизация във въздуха пада върху приблизително 500 km от пътя. Тази частица е открита едва през 1953 г. В момента е известно, че има няколко разновидности на неутрино. В процеса на разпад на неутроните се получава частица, която се нарича електронно антинеутрино. Обозначава се със символа Следователно реакцията на неутронен разпад се записва като

Подобен процес се случва и вътре в ядрата по време на β-разпад. Електрон, образуван в резултат на разпадането на един от ядрените неутрони, незабавно се изхвърля от „родителската къща“ (ядрото) с огромна скорост, която може да се различава от скоростта на светлината само с част от процента. Тъй като разпределението на енергията, освободена по време на β-разпад между електрон, неутрино и дъщерно ядро, е произволно, β-електроните могат да имат различни скорости в широк диапазон.

По време на β-разпад зарядното число Z се увеличава с едно, докато масовото число A остава непроменено. Дъщерното ядро ​​се оказва ядрото на един от изотопите на елемента, чийто пореден номер в периодичната таблица е с един по-висок от серийния номер на оригиналното ядро. Типичен примерβ-разпадът може да служи като трансформация на ториевия изотон, произтичащ от α-разпадането на урана в паладий

Гама разпад. За разлика от α- и β-радиоактивността, γ-радиоактивността на ядрата не е свързана с промяна във вътрешната структура на ядрото и не е придружена от промяна в заряда или масовите числа. И при α-, и при β-разпад дъщерното ядро ​​може да бъде в някакво възбудено състояние и да има излишък от енергия. Преходът на ядрото от възбудено състояние в основно състояние е придружен от излъчване на един или няколко γ-кванта, чиято енергия може да достигне няколко MeV.

Закон за радиоактивния разпад. Всяка проба от радиоактивен материал съдържа огромен брой радиоактивни атоми. Тъй като радиоактивният разпад е случаен и не зависи от външни условия, тогава законът за намаляване на броя N(t) на неразпадналото k настоящ моментядрата с време t могат да послужат като важна статистическа характеристика на процеса на радиоактивен разпад.

Нека броят на неразпадналите ядра N(t) се промени с ΔN за кратък период от време Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Коефициентът на пропорционалност λ е вероятността за разпадане на ядрото за времето Δt = 1 s. Тази формула означава, че скоростта на промяна на функцията N(t) е право пропорционална на самата функция.

където N 0 е началният брой радиоактивни ядра при t = 0. През времето τ = 1 / λ броят на неразпадналите ядра ще намалее с e ≈ 2,7 пъти. Стойността τ се нарича средно време на животрадиоактивно ядро.

За практическа употреба е удобно да напишете закона за радиоактивния разпад в различна форма, като използвате числото 2 като основа, а не e:

Стойността на T се нарича полуживот. По време на времето Т половината от първоначалния брой радиоактивни ядра се разпада. Стойностите на T и τ са свързани чрез релацията

Времето на полуразпад е основната величина, която характеризира скоростта на радиоактивен разпад. Колкото по-кратък е полуживотът, толкова по-интензивен е разпадът. Така за урана T ≈ 4,5 милиарда години, а за радия T ≈ 1600 години. Следователно активността на радия е много по-висока от тази на урана. Има радиоактивни елементи с период на полуразпад от част от секундата.

Не се среща в естествени условия и завършва с бисмут. Тази серия от радиоактивни разпада се случва в ядрени реактори .

Интересно приложениерадиоактивността е метод за датиране на археологически и геоложки находки чрез концентрацията на радиоактивни изотопи. Най-често използваният метод е радиовъглеродно датиране. Не стабилен изотопвъглеродът се появява в атмосферата поради ядрени реакции, причинени от космически лъчи. Малък процент от този изотоп се намира във въздуха заедно с обичайния стабилен изотоп. Растенията и другите организми консумират въглерод от въздуха и натрупват и двата изотопа в същото съотношение, както във въздуха. След смъртта на растенията те престават да консумират въглерод и нестабилният изотоп постепенно се превръща в азот в резултат на β-разпад с период на полуразпад от 5730 години. начин точно измерванеОтносителната концентрация на радиоактивен въглерод в останките на древни организми може да определи времето на тяхната смърт.

Радиоактивни лъчения от всякакъв вид (алфа, бета, гама, неутрони), както и електромагнитни лъчения ( рентгенови лъчи) имат много силен биологичен ефект върху живите организми, който се състои в процесите на възбуждане и йонизация на атоми и молекули, които изграждат живите клетки. Под действието на йонизиращо лъчение се разрушават сложни молекули и клетъчни структури, което води до радиационно увреждане на тялото. Ето защо, когато работите с всеки източник на радиация, е необходимо да се вземат всички мерки за радиационна защитахора, които могат да бъдат изложени на радиация.

Въпреки това, човек може да бъде изложен на йонизиращо лъчение и условия на живот. Радонът, инертен, безцветен, радиоактивен газ, може да представлява сериозна опасност за човешкото здраве.Както се вижда от диаграмата, показана на фиг. 9.7.5, радонът е продукт на α-разпадането на радий и има период на полуразпад T = 3,82 дни. Радий се намира в малки количества в почвата, скалите и различни строителни конструкции. Въпреки относително краткия живот, концентрацията на радон непрекъснато се попълва поради нови разпада на радиеви ядра, така че радонът може да се натрупва в затворени пространства. Попадайки в белите дробове, радонът излъчва α-частици и се превръща в полоний, който не е химически инертно вещество. Следва верига от радиоактивни трансформации от урановата серия (фиг. 9.7.5). Според Американската комисия по радиационна безопасност и контрол, средният човек получава 55% йонизиращо лъчение от радон и само 11% от медицински услуги. Приносът на космическите лъчи е приблизително 8%. Общата доза радиация, която човек получава през целия си живот, е в пъти по-малка максимално допустима доза(SDA), който се установява за хора от определени професии, изложени на допълнително излагане на йонизиращи лъчения.

Реакции на ядрено делене- реакции на делене, които се състоят в това, че едно тежко ядро ​​под въздействието на неутрони и както се оказа по-късно други частици, се разделя на няколко по-леки ядра (фрагменти), най-често на две близки по маса ядра.

Характерна особеност на ядреното делене е, че то е придружено от излъчване на два или три вторични неутрона, т.нар. неутрони на делене.Тъй като за средните ядра броят на неутроните е приблизително равен на броя на протоните ( N/Z ≈ 1), а за тежките ядра броят на неутроните значително надвишава броя на протоните ( N/Z ≈ 1.6), тогава получените фрагменти на делене се претоварват с неутрони, в резултат на което отделят неутрони на делене. Излъчването на неутрони на делене обаче не елиминира напълно претоварването на фрагментните ядра от неутрони. Това води до факта, че фрагментите са радиоактивни. Те могат да претърпят серия от β - -трансформации, придружени от излъчване на γ-кванти. Тъй като β - -разпадът е придружен от трансформация на неутрон в протон, то след верига от β - -трансформации, съотношението между неутрони и протони във фрагмента ще достигне стойност, съответстваща на стабилен изотоп. Например, по време на деленето на урановото ядро ​​U

U+ n → Xe + Sr +2 н(265.1)

делящ се фрагмент В резултат на три акта на β - разпад, Xe се превръща в стабилен изотоп на лантан La:

Той Х → Cs → Ба → Ла

Фрагментите на делене могат да бъдат разнообразни, така че реакцията (265.1) не е единствената, водеща до делене на U.

Повечето неутрони се излъчват почти мигновено по време на делене ( т≤ 10 –14 s), а част (около 0,7%) се излъчва от фрагменти на делене известно време след деленето (0,05 s ≤ т≤ 60 s). Първите от тях се наричат моментално,секундата - забавено.Средно 2,5 неутрона се излъчват за всяко събитие на делене. Те имат сравнително широк енергиен спектър, вариращ от 0 до 7 MeV, със средна енергия от около 2 MeV на неутрон.

Изчисленията показват, че деленето на ядрата също трябва да бъде придружено от освобождаването Голям бройенергия. Всъщност специфичната енергия на свързване за ядра със средна маса е приблизително 8,7 MeV, докато за тежки ядра е 7,6 MeV. Следователно, деленето на тежко ядро ​​на два фрагмента трябва да освободи енергия, равна на приблизително 1,1 MeV на нуклон.

Теорията на деленето на атомни ядра (Н. Бор, Я. И. Френкел) се основава на капковия модел на ядрото. Ядрото се разглежда като капка от електрически заредена несвиваема течност (с плътност равна на ядрената и се подчинява на законите квантова механика), чиито частици, когато неутрон навлезе в ядрото, идват в осцилиращо движение, в резултат на което ядрото се разкъсва на две части, разлитащи се с голяма енергия.

Вероятността за ядрено делене се определя от неутронната енергия. Например, ако високоенергийните неутрони причиняват делене на почти всички ядра, тогава неутроните с енергия от няколко мега-електрон-волта - само тежки ядра ( НО>210), Неутрони с енергия на активиране(минималната енергия, необходима за осъществяване на реакцията на ядрено делене) от порядъка на 1 MeV, предизвикват деленето на ядрата на уран U, торий Th, протактиний Pa, плутоний Pu. Ядрата U, Pu и U, Th са разделени от топлинни неутрони (последните два изотопа не се срещат в природата, те се получават изкуствено).

Вторичните неутрони, излъчени по време на ядрено делене, могат да причинят нови събития на делене, което прави възможно извършването на верижна реакция на делене- ядрена реакция, при която частиците, причиняващи реакцията, се образуват като продукти на тази реакция. Верижната реакция на делене се характеризира с коефициент на умножение кнеутрони, което е равно на съотношението на броя на неутроните в дадено поколение към техния брой в предишното поколение. Необходимо условиеза развитието на верижна реакция на делене е изискване k ≥ 1.

Оказва се, че не всички от получените вторични неутрони предизвикват последващо ядрено делене, което води до намаляване на коефициента на умножение. Първо, поради крайните размери ядро(пространството, където протича ценна реакция) и високата проникваща сила на неутроните, някои от тях ще напуснат ядрото, преди да бъдат уловени от някое ядро. На второ място, част от неутроните се улавят от ядрата на неделящи се примеси, които винаги присъстват в ядрото.Освен това наред с деленето могат да се осъществят конкуриращи се процеси на радиационно улавяне и нееластично разсейване.

Коефициентът на умножение зависи от естеството на делящия се материал, а за даден изотоп от неговото количество, както и от размера и формата на активната зона. Минимални размериактивна зона, в която е възможна верижна реакция, се наричат критични размери.Минималната маса на делящия се материал, разположен в система от критични размери, необходима за изпълнението верижна реакция,Наречен критична маса.

Скоростта на развитие на верижните реакции е различна. Нека бъде Т -средно време

живот на едно поколение и не броят на неутроните в дадено поколение. В следващото поколение техният брой е kN,Т. д. увеличаване на броя на неутроните на поколение dN = kN – N = N(к-едно). Увеличаването на броя на неутроните за единица време, т.е. скоростта на растеж на верижната реакция,

. (266.1)

Интегрирайки (266.1), получаваме

,

където N0е броят на неутроните в началния момент от време, и н- техния брой наведнъж т. нсе определя от знака ( к- едно). В к>1 отива развиващ отговор.броят на деленията непрекъснато нараства и реакцията може да стане експлозивна. В к=1 отива самоподдържаща се реакцияпри които броят на неутроните не се променя с времето. В к <1 идет затихваща реакция,

Верижните реакции се делят на контролирани и неконтролирани. Експлозията на атомна бомба, например, е неконтролирана реакция. За да се предотврати експлозия на атомна бомба по време на съхранение, U (или Pu) в нея се разделя на две отдалечени една от друга части с маси под критичните. След това, с помощта на обикновена експлозия, тези маси се приближават една към друга, общата маса на делящия се материал става по-критична и възниква експлозивна верижна реакция, придружена от мигновено освобождаване на огромно количество енергия и голямо разрушение. Експлозивната реакция започва поради наличните спонтанни неутрони на делене или неутрони на космическо излъчване. Управлявана верижни реакцииизвършва в ядрени реактори.

Ядреното делене е разделяне на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.

Откриването на ядреното делене постави началото на нова ера - "атомната ера". Потенциалът на евентуалното му използване и съотношението на риска към ползата от използването му не само генерират много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка, процесът на ядрено делене създаде голям бройпъзели и усложнения, а пълното му теоретично обяснение е въпрос на бъдещето.

Споделянето е изгодно

Енергиите на свързване (на нуклон) се различават за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.

Това означава, че за тежки ядра с атомен номер, по-голям от 100, е изгодно да се разделят на два по-малки фрагмента, като по този начин се освобождава енергия, която се превръща в кинетичната енергия на фрагментите. Този процес се нарича разделяне

Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат повече неутрони (в сравнение с броя на протоните) от по-леките. Това предполага, че заедно с процеса на разделяне ще бъдат излъчени някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследването на ядреното делене на урановия атом показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомният номер (и атомната маса) на фрагмента не е равен на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделяне, обикновено е около 50. Вярно е, че причината за това все още не е напълно ясна.

Енергиите на свързване на 238 U, 145 La и 90 Br са съответно 1803, 1198 и 763 MeV. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Спонтанно разделяне

Процесите на спонтанно разцепване са известни в природата, но са много редки. Средният живот на този процес е около 10 17 години, а например средният живот на алфа разпада на същия радионуклид е около 10 11 години.

Причината за това е, че за да се раздели на две части, ядрото първо трябва да се деформира (разтегне) в елипсоидална форма и след това, преди окончателно да се раздели на два фрагмента, да образува „врат“ в средата.

Потенциална бариера

В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едната е повишената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на течна капка обяснява нейната сферична форма), а другата е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.

Както в случая на алфа разпада, за да се случи спонтанното делене на ядрото на урановия атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на алфа частица е много по-голяма от тази на много по-тежък продукт на делене на атома.

принудително разделяне

Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай родителското ядро ​​се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки енергия на свързване под формата на вибрационна енергия, която може да надхвърли 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.

Когато енергията на допълнителния неутрон е недостатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика разцепване на атом. В случай на 238 U енергията на свързване на допълнителни неутрони е с около 1 MeV. Това означава, че деленето на урановото ядро ​​се индуцира само от неутрон с кинетична енергия, по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235 U има един несдвоен неутрон. Когато ядрото абсорбира допълнително, то образува двойка с него и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и разделянето на изотопа се случва при сблъсък с всеки неутрон.

бета разпад

Въпреки че реакцията на делене излъчва три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на разцепване като цяло са нестабилни срещу бета разпад.

Например, когато се случи делене на уран 238U, стабилната изобара с A = 145 е неодим 145Nd, което означава, че фрагментът на лантан 145La се разпада на три стъпки, всеки път излъчвайки електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид. Стабилната изобара с A = 90 е цирконий 90 Zr; следователно, разцепващият се фрагмент на бром 90 Br се разлага на пет етапа от веригата на β-разпад.

Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, която почти цялата се отвежда от електрони и антинеутрино.

Ядрени реакции: делене на уранови ядра

Директното излъчване на неутрон от нуклид с твърде много от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона във връзка с родителя. Това обаче понякога се случва. Например, 90 Br фрагмент на делене в първия етап на бета разпад произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай излъчването на неутрони може да се случи директно с образуването на криптон-89. все още нестабилен по отношение на β разпада, докато се превърне в стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада на три стъпки.

Деление на уранови ядра: верижна реакция

Неутроните, излъчени в реакцията на делене, могат да бъдат абсорбирани от друго родителско ядро, което след това самото претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена при деленето на урановото ядро ​​- 158 MeV - се превръща главно в кинетичната енергия на фрагментите на делене ), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, при значителна концентрация на редкия изотоп 235 U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от 235 U ядра, което наистина може да предизвика делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.

Това е принципът на верижната реакция.

Видове ядрени реакции

Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал в етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени в етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони, произведени в етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да бъде принудено да се раздели.

Ако k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Ако k > 1, тогава верижната реакция ще нараства, докато се използва целият делящ се материал.Това се постига чрез обогатяване на естествената руда за получаване на достатъчно голяма концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k се увеличава с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата U трябва да надвишава определено количество, за да се случи деленето на уранови ядра (верижна реакция).

Ако k = 1, тогава протича контролирана реакция. Това се използва в ядрените реактори. Процесът се контролира чрез разпределяне на кадмиеви или борни пръчки между урана, които поглъщат по-голямата част от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Деленето на урановото ядро ​​се контролира автоматично чрез преместване на пръчките по такъв начин, че стойността на k остава равна на единица.

>> делене на уран

§ 107 ДЕЛЯНЕ НА ЯДРА НА УРАН

Само ядрата на някои тежки елементи могат да бъдат разделени на части. По време на деленето на ядрата се излъчват два или три неутрона и -лъчи. В същото време се отделя много енергия.

Откриване на делене на уран.Разделянето на урановите ядра е открито през 1938 г. от немските учени О. Хан и Ф. Щрасман. Те установяват, че при бомбардиране на уран с неутрони възникват елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон и т. н. Правилното тълкуване на този факт именно като делене на урановото ядро, което е уловило неутрона, е дадено при началото на 1939 г. от английския физик О. Фриш заедно с австрийския физик Л. Майтнер.

Улавянето на неутрон разрушава стабилността на ядрото. Ядрото се възбужда и става нестабилно, което води до разделянето му на фрагменти. Ядреното делене е възможно, защото масата на покой на тежко ядро ​​е по-голяма от сумата на масите на покой на фрагментите, които възникват по време на деленето. Следователно има освобождаване на енергия, еквивалентно на намаляване на масата на покой, което придружава деленето.

Възможността за делене на тежки ядра може да се обясни и с помощта на графика на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число A (виж фиг. 13.11). Специфична енергия на свързване на атомните ядра на елементите, заемащи периодичната система последни места(A 200), приблизително 1 MeV по-малко от специфичната енергия на свързване в ядрата на елементите, разположени в средата на периодичната система (A 100). Следователно процесът на делене на тежки ядра в ядра на елементи в средната част на периодичната система е енергийно благоприятен. След делене, системата преминава в състояние с минимална вътрешна енергия. В крайна сметка, колкото по-голяма е енергията на свързване на ядрото, толкова по-голяма е енергията, която трябва да се освободи при образуването на ядрото и следователно, толкова по-малко вътрешна енергияновосформирана система.

По време на ядрено делене енергията на свързване на нуклон се увеличава с 1 MeV, а общата освободена енергия трябва да бъде огромна - около 200 MeV. Никоя друга ядрена реакция (която не е свързана с делене) не отделя толкова големи енергии.

Директните измервания на енергията, освободена по време на деленето на урановото ядро, потвърдиха горните съображения и дадоха стойност от 200 MeV. Освен това по-голямата част от тази енергия (168 MeV) пада върху кинетичната енергия на фрагментите. На фигура 13.13 виждате следите от делящи се уранови фрагменти в облачна камера.

Енергията, освободена при ядрено делене, е по-скоро електростатичен, отколкото ядрен произход. Голямата кинетична енергия, която имат фрагментите, възниква поради тяхното кулоново отблъскване.

механизъм на ядрено делене.Процесът на ядрено делене може да се обясни на базата на капковия модел на ядрото. Според този модел куп нуклони наподобява капка заредена течност (фиг. 13.14, а). Ядрените сили между нуклоните са къси, подобно на силите, действащи между течните молекули. Наред със силните сили на електростатично отблъскване между протоните, които са склонни да разкъсат ядрото, съществуват още по-големи ядрени сили на привличане. Тези сили предпазват ядрото от разпадане.

Ядрото на уран-235 е сферично. След като е погълнал допълнителен неутрон, той се възбужда и започва да се деформира, придобивайки удължена форма (фиг. 13.14, б). Ядрото ще се разтяга, докато силите на отблъскване между половините на удълженото ядро ​​започнат да преобладават над силите на привличане, действащи в провлака (фиг. 13.14, в). След това се разкъсва на две части (фиг. 13.14, г).

Под действието на кулоновите отблъскващи сили тези фрагменти се разлитат със скорост, равна на 1/30 от скоростта на светлината.

Емисия на неутрони по време на делене.Основният факт на ядреното делене е излъчването на два или три неутрона по време на делене. Това направи възможно практическа употребавътрешноядрена енергия.

Възможно е да се разбере защо се излъчват свободни неутрони от следните съображения. Известно е, че съотношението на броя на неутроните към броя на протоните в стабилните ядра се увеличава с увеличаване на атомния номер. Следователно при фрагменти, възникващи от деленето, относителният брой неутрони се оказва по-голям от допустимото за ядрата на атомите, разположени в средата на периодичната таблица. В резултат на това в процеса на делене се отделят няколко неутрона. Тяхната енергия е различни значения- от няколко милиона електрон волта до много малки, близки до нула.

Разделянето обикновено става на фрагменти, чиито маси се различават около 1,5 пъти. Тези фрагменти са силно радиоактивни, тъй като съдържат излишно количество неутрони. В резултат на поредица от последователни разпада, в крайна сметка се получават стабилни изотопи.

В заключение отбелязваме, че има и спонтанно делене на уранови ядра. Открит е от съветските физици Г. Н. Флеров и К. А. Петржак през 1940 г. Периодът на полуразпад за спонтанно делене е 10 16 години. Това е два милиона пъти по-дълго от периода на полуразпад на урана.

Реакцията на ядрено делене е придружена от освобождаване на енергия.

Съдържание на урока резюме на урокаподкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения самоизпитване семинари, обучения, казуси, куестове домашна работа дискусия въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картини графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любопитни cheat sheets учебници основни и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебника, елементи на иновация в урока, замяна на остарели знания с нови Само за учители перфектни уроци календарен планза година насокидискусионни програми Интегрирани уроци