Ono što se zove reakcija nuklearne fisije. Fisija jezgre urana

Razred

Lekcija br. 42-43

Lančana reakcija fisije jezgri urana. Nuklearna energija i ekologija. Radioaktivnost. Pola zivota.

Nuklearne reakcije

Nuklearna reakcija je proces interakcije atomska jezgra s drugom jezgrom ili elementarna čestica, popraćeno promjenom sastava i strukture jezgre te oslobađanjem sekundarnih čestica ili γ-kvanta.

Kao rezultat nuklearnih reakcija mogu nastati novi radioaktivni izotopi kojih nema na Zemlji vivo.

Prvu nuklearnu reakciju proveo je E. Rutherford 1919. u eksperimentima za otkrivanje protona u produktima nuklearnog raspada (vidi § 9.5). Rutherford je bombardirao atome dušika alfa česticama. Kada su se čestice sudarile, dogodila se nuklearna reakcija, koja se odvijala prema sljedećoj shemi:

Tijekom nuklearnih reakcija nekoliko zakoni očuvanja: zamah, energija, kutni moment, naboj. Uz ove klasične zakone očuvanja, takozvani zakon očuvanja vrijedi u nuklearnim reakcijama. barionski naboj(odnosno broj nukleona - protona i neutrona). Vrijede i brojni drugi zakoni očuvanja specifični za nuklearnu fiziku i fiziku elementarnih čestica.

Nuklearne reakcije mogu se odvijati kada atome bombardiraju brzo nabijene čestice (protoni, neutroni, α-čestice, ioni). Prva reakcija ove vrste izvedena je pomoću protona visoke energije dobivenih na akceleratoru 1932.:

gdje su M A i M B mase početnih proizvoda, M C i M D su mase finalni proizvodi reakcije. Vrijednost ΔM se zove defekt mase. Nuklearne reakcije se mogu odvijati oslobađanjem (Q > 0) ili apsorpcijom energije (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Da bi nuklearna reakcija imala pozitivan energetski prinos, specifična energija vezanja nukleona u jezgrama početnih proizvoda treba biti manje specifična energija veze nukleona u jezgrama konačnih proizvoda. To znači da ΔM mora biti pozitivan.

Postoje dva bitno različita načina oslobađanja nuklearne energije.

1. Fisija teških jezgri. Za razliku od radioaktivnog raspada jezgri, praćenog emisijom α- ili β-čestica, reakcije fisije su proces u kojem se nestabilna jezgra dijeli na dva velika fragmenta usporedivih masa.

Godine 1939. njemački znanstvenici O. Hahn i F. Strassmann otkrili su fisiju jezgri urana. Nastavljajući istraživanje koje je započeo Fermi, otkrili su da kada se uran bombardira neutronima, elementi srednjeg dijela periodični sustav– radioaktivni izotopi barija (Z = 56), kriptona (Z = 36) itd.

Uran se u prirodi pojavljuje u obliku dva izotopa: (99,3%) i (0,7%). Kada su bombardirane neutronima, jezgre oba izotopa mogu se podijeliti na dva fragmenta. Pri tome se reakcija fisije najintenzivnije odvija sa sporim (toplinskim) neutronima, dok jezgre ulaze u reakciju fisije samo s brzim neutronima s energijom reda 1 MeV.

Glavni interes za nuklearna elektrana predstavlja reakciju fisije jezgre Trenutačno je poznato oko 100 različitih izotopa s masenim brojem od oko 90 do 145, koji nastaju fisijom ove jezgre. Dvije tipične reakcije fisije ove jezgre imaju oblik:

Imajte na umu da se kao rezultat nuklearne fisije koju inicira neutron, nastaju novi neutroni koji mogu uzrokovati fisijske reakcije u drugim jezgrama. Produkti fisije jezgri urana-235 mogu biti i drugi izotopi barija, ksenona, stroncija, rubidija itd.

Kinetička energija koja se oslobađa tijekom fisije jedne jezgre urana je ogromna - oko 200 MeV. Energija oslobođena tijekom nuklearne fisije može se procijeniti pomoću specifična energija vezanja nukleoni u jezgri. Specifična energija vezanja nukleona u jezgrama masenog broja A ≈ 240 iznosi oko 7,6 MeV/nukleon, dok je u jezgrama s masenim brojem A = 90–145 specifična energija približno jednaka 8,5 MeV/nukleonu. Stoga se fisijom jezgre urana oslobađa energija reda veličine 0,9 MeV/nukleon, odnosno približno 210 MeV po atomu urana. Potpunim cijepanjem svih jezgri sadržanih u 1 g urana oslobađa se ista energija kao pri izgaranju 3 tone ugljena ili 2,5 tone nafte.

Produkti fisije jezgre urana su nestabilni, jer sadrže značajan višak neutrona. Doista, omjer N/Z za najteže jezgre je oko 1,6 (slika 9.6.2), za jezgre s masenim brojem od 90 do 145 taj je omjer oko 1,3–1,4. Stoga jezgre fragmenata doživljavaju niz uzastopnih β - raspada, uslijed čega se broj protona u jezgri povećava, a broj neutrona smanjuje dok ne nastane stabilna jezgra.

Pri fisiji jezgre urana-235, koja je uzrokovana sudarom s neutronom, oslobađaju se 2 ili 3 neutrona. Pod povoljnim uvjetima, ti neutroni mogu pogoditi druge jezgre urana i uzrokovati njihovu fisiju. U ovoj fazi već će se pojaviti od 4 do 9 neutrona, sposobnih izazvati nove raspade jezgri urana itd. Takav proces sličan lavini naziva se lančana reakcija. Razvojna shema lančana reakcija fisija jezgri urana prikazana je na sl. 9.8.1.

Slika 9.8.1. Shema razvoja lančane reakcije.

Da bi došlo do lančane reakcije potrebno je da tzv faktor umnožavanja neutrona bio veći od jedan. Drugim riječima, u svakoj sljedećoj generaciji trebalo bi biti više neutrona nego u prethodnoj. Faktor množenja određen je ne samo brojem neutrona proizvedenih u svakom elementarnom događaju, već i uvjetima pod kojima se reakcija odvija – neke od neutrona mogu apsorbirati druge jezgre ili napustiti reakcijsku zonu. Neutroni oslobođeni tijekom cijepanja jezgri urana-235 mogu uzrokovati samo fisiju jezgri istog urana, koji čini samo 0,7% prirodnog urana. Ova koncentracija je nedovoljna za pokretanje lančane reakcije. Izotop također može apsorbirati neutrone, ali ne dolazi do lančane reakcije.

lančana reakcija u uranu visok sadržaj uran-235 može se razviti tek kada masa urana premašuje tzv kritična masa. U malim komadićima urana, većina neutrona, bez udaranja u jezgru, izleti. Za čisti uran-235 kritična masa je oko 50 kg. Kritična masa urana može se višestruko smanjiti korištenjem tzv moderatori neutroni. Činjenica je da neutroni nastali tijekom raspada jezgri urana imaju previsoke brzine, a vjerojatnost hvatanja sporih neutrona jezgrama urana-235 je stotine puta veća od one brzih. Najbolji moderator neutrona je teška voda D 2 O. Pri interakciji s neutronima obična voda sama se pretvara u tešku vodu.

Dobar moderator je i grafit čije jezgre ne upijaju neutrone. Nakon elastične interakcije s jezgrama deuterija ili ugljika, neutroni se usporavaju do toplinskih brzina.

Korištenje moderatora neutrona i posebne berilijske ljuske koja reflektira neutrone omogućuje smanjenje kritične mase na 250 g.

U atomskim bombama dolazi do nekontrolirane nuklearne lančane reakcije kada brza veza dva komada urana-235, od kojih svaki ima masu nešto manju od kritične.

Uređaj koji održava kontroliranu reakciju nuklearne fisije tzv nuklearna(ili atomski) reaktor. Shema nuklearni reaktor na sporim neutronima prikazan je na sl. 9.8.2.

Slika 9.8.2. Shema uređaja nuklearnog reaktora.

Nuklearna reakcija se odvija u jezgri reaktora koja je ispunjena moderatorom i probušena šipkama koje sadrže obogaćenu smjesu izotopa urana s visokim udjelom urana-235 (do 3%). U jezgru se uvode kontrolne šipke koje sadrže kadmij ili bor, koje intenzivno apsorbiraju neutrone. Uvođenje šipki u jezgru omogućuje vam kontrolu brzine lančane reakcije.

Jezgra se hladi pumpanim rashladnim sredstvom, koje može biti voda ili metal s niskim talištem (na primjer, natrij koji ima talište od 98 °C). U generatoru pare se rashladna tekućina prenosi Termalna energija vode, pretvarajući je u paru visokotlačni. Para se šalje u turbinu spojenu na električni generator. Iz turbine para ulazi u kondenzator. Kako bi se izbjeglo curenje zračenja, krugovi rashladne tekućine I i generatora pare II rade u zatvorenim ciklusima.

Turbina nuklearne elektrane je toplinski stroj koji određuje ukupnu učinkovitost postrojenja u skladu s drugim zakonom termodinamike. Za suvremene nuklearne elektrane učinkovitost je približno jednaka Dakle, za proizvodnju od 1000 MW električna energija toplinska snaga reaktora trebala bi doseći 3000 MW. 2000 MW mora odnijeti voda koja hladi kondenzator. To dovodi do lokalnog pregrijavanja prirodnih vodnih tijela i naknadne pojave ekoloških problema.

Međutim, glavni problem sastoji se u osiguravanju potpune radijacijske sigurnosti ljudi koji rade u nuklearnim elektranama i sprječavanju slučajnih ispuštanja radioaktivnih tvari koje se nakupljaju u velikim količinama u jezgri reaktora. Ovom se problemu posvećuje velika pozornost u razvoju nuklearnih reaktora. Ipak, nakon nesreća u nekim nuklearnim elektranama, posebice u nuklearnoj elektrani u Pennsylvaniji (SAD, 1979.) i u nuklearnoj elektrani Černobil (1986.), problem sigurnosti nuklearne energije postao je posebno akutan.

Uz gore opisani nuklearni reaktor koji radi na sporim neutronima, od velikog su praktičnog interesa reaktori koji rade bez moderatora na brzim neutronima. U takvim reaktorima nuklearno gorivo je obogaćena smjesa koja sadrži najmanje 15% izotopa.Prednost reaktora na brzim neutronima je u tome što se tijekom rada jezgre urana-238, apsorbirajući neutrone, kroz dva uzastopna β - raspada pretvaraju u plutonij. jezgre, koje se tada mogu koristiti kao nuklearno gorivo:

Omjer uzgoja takvih reaktora doseže 1,5, odnosno za 1 kg urana-235 dobiva se do 1,5 kg plutonija. Konvencionalni reaktori također proizvode plutonij, ali u znatno manjim količinama.

Prvi nuklearni reaktor izgrađen je 1942. godine u SAD-u pod vodstvom E. Fermija. U našoj zemlji, prvi reaktor izgrađen je 1946. godine pod vodstvom IV Kurchatova.

2. termonuklearne reakcije. Drugi način oslobađanja nuklearne energije povezan je s fuzijskim reakcijama. Tijekom fuzije lakih jezgri i stvaranja nove jezgre, veliki broj energije. To se može vidjeti iz ovisnosti specifične energije vezanja o masenom broju A (slika 9.6.1). Sve do jezgri s masenim brojem od oko 60, specifična energija vezanja nukleona raste s povećanjem A. Dakle, sinteza bilo koje jezgre s A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Reakcije fuzije lakih jezgri nazivaju se termonuklearne reakcije, jer mogu teći samo pri vrlo visokim temperaturama. Da bi dvije jezgre ušle u fuzijsku reakciju, moraju se približiti na udaljenost djelovanja nuklearnih sila reda veličine 2·10 -15 m, svladavajući električno odbijanje svojih pozitivnih naboja. Za to je prosječna kinetička energija toplinsko kretanje molekule moraju premašiti potencijalnu energiju Coulombove interakcije. Proračun potrebne temperature T za to dovodi do vrijednosti reda veličine 10 8 –10 9 K. To je izuzetno visoka temperatura. Na ovoj temperaturi tvar je u potpuno ioniziranom stanju, što se tzv plazma.

Energija koja se oslobađa u termonuklearnim reakcijama po nukleonu nekoliko je puta veća od specifične energije koja se oslobađa u lančanim reakcijama nuklearne fisije. Tako, na primjer, u reakciji fuzije jezgri deuterija i tricija

Oslobađa se 3,5 MeV/nukleon. Ukupno se u ovoj reakciji oslobađa 17,6 MeV. Ovo je jedna od najperspektivnijih termonuklearnih reakcija.

Implementacija kontrolirane termonuklearne reakcije dat će čovječanstvu novi ekološki prihvatljiv i praktički neiscrpan izvor energije. Međutim, postizanje ultravisokih temperatura i održavanje plazme zagrijanom na milijardu stupnjeva najteži je znanstveni i tehnički zadatak na putu provedbe kontrolirane termonuklearne fuzije.

Na ovoj fazi razvoj znanosti i tehnologije tek je bio nekontrolirana fuzijska reakcija u hidrogenskoj bombi. Visoka temperatura potrebna za nuklearnu fuziju ovdje se postiže detonacijom konvencionalne uranijske ili plutonijske bombe.

Termonuklearne reakcije igraju iznimno važnu ulogu u evoluciji svemira. Energija zračenja Sunca i zvijezda je termonuklearnog porijekla.

Radioaktivnost

Gotovo 90% od poznatih 2500 atomskih jezgri je nestabilno. Nestabilna jezgra se spontano transformira u druge jezgre emisijom čestica. Ovo svojstvo jezgri naziva se radioaktivnost. Za velike jezgre nestabilnost nastaje zbog natjecanja između privlačenja nukleona nuklearnim silama i Coulombovog odbijanja protona. Ne postoje stabilne jezgre s brojem naboja Z > 83 i masenim brojem A > 209. Ali atomske jezgre sa znatno nižim Z i A brojevima također se mogu pokazati radioaktivnima. Ako jezgra sadrži znatno više protona nego neutrona, tada dolazi do nestabilnosti viškom energije Coulomb interakcije . Jezgre, koje bi sadržavale veliki višak neutrona u odnosu na broj protona, nestabilne su zbog činjenice da je masa neutrona veća od mase protona. Povećanje mase jezgre dovodi do povećanja njezine energije.

Fenomen radioaktivnosti otkrio je 1896. francuski fizičar A. Becquerel, koji je otkrio da soli urana emitiraju nepoznato zračenje koje može prodrijeti kroz barijere koje su neprozirne za svjetlost i uzrokovati zacrnjenje fotografske emulzije. Dvije godine kasnije francuski fizičari M. i P. Curie otkrili su radioaktivnost torija i otkrili dva nova radioaktivna elementa - polonij i radij

Sljedećih godina mnogi su se fizičari, uključujući E. Rutherforda i njegove učenike, bavili proučavanjem prirode radioaktivnog zračenja. Utvrđeno je da radioaktivne jezgre mogu emitirati čestice tri vrste: pozitivno i negativno nabijene i neutralne. Ove tri vrste zračenja nazvane su α-, β- i γ-zračenje. Na sl. 9.7.1 prikazuje shemu eksperimenta, koja omogućuje otkrivanje složenog sastava radioaktivnog zračenja. U magnetskom polju α- i β-zrake odstupaju u suprotnim smjerovima, a β-zrake odstupaju mnogo više. γ-zrake u magnetskom polju uopće ne odstupaju.

Ove tri vrste radioaktivnog zračenja međusobno se uvelike razlikuju po sposobnosti ioniziranja atoma tvari i, posljedično, po svojoj prodornoj moći. α-zračenje ima najmanju prodornu moć. U zraku, u normalnim uvjetima, α-zrake putuju na udaljenosti od nekoliko centimetara. β-zrake mnogo manje apsorbira tvar. Oni mogu proći kroz sloj aluminija debljine nekoliko milimetara. γ-zrake imaju najveću prodornu moć, mogu proći kroz sloj olova debljine 5-10 cm.

U drugom desetljeću 20. stoljeća nakon otkrića E. Rutherforda nuklearna struktura atoma, čvrsto je utvrđeno da je radioaktivnost svojstvo atomskih jezgri. Istraživanja su pokazala da α-zrake predstavljaju tok α-čestica - jezgre helija, β-zrake su struju elektrona, γ-zrake predstavljaju kratkovalnu elektromagnetska radijacija s izrazito kratkom valnom duljinom λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa raspad. Alfa raspad je spontana transformacija atomske jezgre s brojem protona Z i neutrona N u drugu (kćerku) jezgru koja sadrži broj protona Z - 2 i neutrona N - 2. U ovom slučaju emitira se α-čestica - jezgra atoma helija. Primjer takvog procesa je α-raspad radija:

Alfa čestice koje emitiraju jezgre atoma radija koristio je Rutherford u pokusima raspršenja na jezgrama teških elemenata. Brzina α-čestica emitiranih tijekom α-raspada jezgri radija, mjerena duž zakrivljenosti putanje u magnetskom polju, približno je jednaka 1,5 10 7 m/s, a odgovarajuća kinetička energija je oko 7,5 10 -13 J (približno 4,8 MeV). Ova vrijednost se može lako odrediti iz poznate vrijednosti mase matične i kćeri jezgre te jezgre helija. Iako je brzina izbačene α-čestice ogromna, ona je još uvijek samo 5% brzine svjetlosti, pa se u izračunu može koristiti nerelativistički izraz za kinetičku energiju.

Istraživanja su pokazala da radioaktivna tvar može emitirati α-čestice s nekoliko diskretnih energetskih vrijednosti. To se objašnjava činjenicom da jezgre mogu biti, poput atoma, u različitim pobuđenim stanjima. Jezgra kćer može biti u jednom od ovih pobuđenih stanja tijekom α-raspada. Tijekom naknadnog prijelaza ove jezgre u osnovno stanje emitira se γ-kvant. Shema α-raspada radija s emisijom α-čestica s dvije vrijednosti kinetičke energije prikazana je na sl. 9.7.2.

Stoga je α-raspad jezgri u mnogim slučajevima popraćen γ-zračenjem.

U teoriji α-raspada pretpostavlja se da unutar jezgre mogu nastati skupine koje se sastoje od dva protona i dva neutrona, odnosno α-čestica. Matična jezgra je za α-čestice potencijalni bunar, što je ograničeno potencijalna barijera. Energija α-čestice u jezgri je nedovoljna za prevladavanje ove barijere (slika 9.7.3). Izbacivanje α-čestice iz jezgre moguće je samo zahvaljujući kvantnomehaničkom fenomenu tzv. efekt tunela. Prema kvantna mehanika, postoji nenula vjerojatnost da će čestica proći ispod potencijalne barijere. Fenomen tuneliranja ima vjerojatnostni karakter.

Beta raspad. Kod beta raspada iz jezgre se emitira elektron. Unutar jezgri elektroni ne mogu postojati (vidi § 9.5), oni nastaju tijekom β-raspada kao rezultat transformacije neutrona u proton. Ovaj se proces može dogoditi ne samo unutar jezgre, već i sa slobodnim neutronima. Prosječni životni vijek slobodnog neutrona je oko 15 minuta. Kada se neutron raspadne na proton i elektron

Mjerenja su pokazala da u ovom procesu dolazi do očitog kršenja zakona održanja energije, budući da je ukupna energija protona i elektrona koja nastaje raspadom neutrona manja od energije neutrona. 1931. W. Pauli je sugerirao da se tijekom raspada neutrona oslobađa još jedna čestica s nultom masom i nabojem, koja sa sobom oduzima dio energije. Nova čestica je imenovana neutrina(mali neutron). Zbog nepostojanja naboja i mase u neutrina, ova čestica vrlo slabo stupa u interakciju s atomima tvari, pa ju je iznimno teško detektirati u eksperimentu. Ionizacijska sposobnost neutrina je toliko mala da jedan čin ionizacije u zraku padne na otprilike 500 km puta. Ova čestica je otkrivena tek 1953. godine. Trenutno je poznato da postoji nekoliko varijanti neutrina. U procesu raspada neutrona nastaje čestica koja se tzv elektronski antineutrino. Označava se simbolom Stoga se reakcija raspada neutrona zapisuje kao

Sličan se proces događa i unutar jezgri tijekom β-raspada. Elektron nastao kao rezultat raspada jednog od nuklearnih neutrona odmah se izbacuje iz "roditeljske kuće" (jezgre) ogromnom brzinom, koja se može razlikovati od brzine svjetlosti samo za djelić postotka. Budući da je raspodjela energije koja se oslobađa tijekom β-raspada između elektrona, neutrina i jezgre kćeri slučajna, β-elektroni mogu imati različite brzine u širokom rasponu.

U β-raspadu broj naplate Z se povećava za jedan, dok maseni broj A ostaje nepromijenjen. Ispostavlja se da je jezgra kćer jezgra jednog od izotopa elementa, čiji je serijski broj u periodnom sustavu za jedan veći od serijskog broja izvorne jezgre. Tipičan primjerβ-raspad može poslužiti kao transformacija izotona torija koji nastaje α-raspadom urana u paladij

Gama raspad. Za razliku od α- i β-radioaktivnosti, γ-radioaktivnost jezgri nije povezana s promjenom unutarnje strukture jezgre i nije popraćena promjenom naboja ili masenog broja. I u α- i β-raspadu, jezgra kćer može biti u nekom pobuđenom stanju i imati višak energije. Prijelaz jezgre iz pobuđenog u osnovno stanje popraćen je emisijom jednog ili više γ-kvanta čija energija može doseći nekoliko MeV.

Zakon radioaktivnog raspada. Svaki uzorak radioaktivnog materijala sadrži ogroman broj radioaktivnih atoma. Budući da je radioaktivni raspad slučajan i ne ovisi o vanjski uvjeti, zatim zakon smanjenja broja N(t) neraspadnutog k sadašnji trenutak vrijeme t jezgri može poslužiti kao važna statistička karakteristika procesa radioaktivnog raspada.

Neka se broj neraspadnutih jezgri N(t) promijeni za ΔN tijekom kratkog vremenskog razdoblja Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Koeficijent proporcionalnosti λ je vjerojatnost raspada jezgre u vremenu Δt = 1 s. Ova formula znači da je brzina promjene funkcije N(t) izravno proporcionalna samoj funkciji.

gdje je N 0 početni broj radioaktivnih jezgri pri t = 0. Tijekom vremena τ = 1 / λ broj neraspadnutih jezgri smanjit će se za e ≈ 2,7 puta. Vrijednost τ se zove prosječno vrijeme života radioaktivna jezgra.

Za praktičnu upotrebu, prikladno je napisati zakon radioaktivnog raspada u drugom obliku, koristeći broj 2 kao bazu, a ne e:

Vrijednost T naziva se Pola zivota. Tijekom vremena T raspadne se polovica početnog broja radioaktivnih jezgri. Vrijednosti T i τ povezane su relacijom

Poluživot je glavna veličina koja karakterizira brzinu radioaktivnog raspada. Što je kraći poluživot, to je raspad intenzivniji. Dakle, za uran T ≈ 4,5 milijardi godina, a za radij T ≈ 1600 godina. Stoga je aktivnost radija mnogo veća od aktivnosti urana. Postoje radioaktivni elementi s vremenom poluraspada od djelića sekunde.

Ne nalazi se u prirodnim uvjetima, a završava u bizmutu. Ova serija radioaktivnih raspada događa se u nuklearnih reaktora.

Zanimljiva aplikacija radioaktivnost je metoda datiranja arheoloških i geoloških nalaza koncentracijom radioaktivnih izotopa. Najčešće korištena metoda je radiokarbonsko datiranje. Zbog nuklearnih reakcija uzrokovanih kozmičkim zrakama u atmosferi se javlja nestabilan izotop ugljika. Mali postotak ovog izotopa nalazi se u zraku zajedno s uobičajenim stabilnim izotopom. Biljke i drugi organizmi troše ugljik iz zraka i akumuliraju oba izotopa u istom omjeru kao i u zraku. Nakon što biljke uginu, prestaju trošiti ugljik, a kao rezultat β-raspada, nestabilni izotop postupno prelazi u dušik s poluživotom od 5730 godina. put precizno mjerenje Relativna koncentracija radioaktivnog ugljika u ostacima drevnih organizama može odrediti vrijeme njihove smrti.

Radioaktivno zračenje svih vrsta (alfa, beta, gama, neutroni), kao i elektromagnetsko zračenje ( x-zrake) imaju vrlo snažan biološki učinak na žive organizme, koji se sastoji u procesima ekscitacije i ionizacije atoma i molekula koje čine žive stanice. Pod djelovanjem ionizirajućeg zračenja uništavaju se složene molekule i stanične strukture, što dovodi do oštećenja tijela zračenjem. Stoga, kada radite s bilo kojim izvorom zračenja, potrebno je poduzeti sve mjere da zaštita od zračenja ljudi koji bi mogli biti izloženi zračenju.

Međutim, osoba može biti izložena ionizirajućem zračenju u kućnim uvjetima. Radon, inertni, bezbojni, radioaktivni plin, može predstavljati ozbiljnu opasnost za ljudsko zdravlje.Kao što se može vidjeti iz dijagrama prikazanog na sl. 9.7.5, radon je proizvod α-raspada radija i ima vrijeme poluraspada T = 3,82 dana. Radij se nalazi u malim količinama u tlu, stijenama i raznim građevinske konstrukcije. Unatoč relativno kratkom vijeku trajanja, koncentracija radona kontinuirano se obnavlja zbog novih raspada jezgri radija, pa se radon može nakupljati u zatvorenim prostorima. Dolazeći u pluća, radon emitira α-čestice i pretvara se u polonij, koji nije kemijski inertna tvar. Nakon toga slijedi lanac radioaktivnih transformacija serije urana (slika 9.7.5). Prema američkoj komisiji za sigurnost i kontrolu zračenja, prosječna osoba prima 55% ionizirajućeg zračenja od radona i samo 11% od medicinske usluge. Doprinos kozmičkih zraka iznosi približno 8%. Ukupna doza zračenja koju čovjek primi u životu višestruko je manja najveća dopuštena doza(SDA), koji se uspostavlja za osobe određenih profesija izloženih dodatnom izlaganju ionizirajućem zračenju.

Energija E koja se oslobađa tijekom fisije raste s povećanjem Z 2 /A. Vrijednost Z 2 /A = 17 za 89 Y (itrij). Oni. fisija je energetski povoljna za sve jezgre teže od itrija. Zašto je većina jezgri otporna na spontanu fisiju? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, potrebno je razmotriti mehanizam podjele.

Tijekom fisije mijenja se oblik jezgre. Jezgra uzastopno prolazi kroz sljedeće faze (slika 7.1): lopta, elipsoid, bučica, dva ulomka u obliku kruške, dva sferna ulomka. Kako se mijenja potencijalna energija jezgre u različitim fazama fisije?
Početna jezgra s povećanjem r poprima oblik sve izduženijeg elipsoida okretanja. U tom slučaju, zbog evolucije oblika jezgre, promjena njene potencijalne energije određena je promjenom zbroja površinske i Coulombove energije E p + E k. U tom slučaju površinska energija raste, budući da se površina jezgre povećava. Coulombova energija opada kako se prosječna udaljenost između protona povećava. Ako, uz malu deformaciju, koju karakterizira mali parametar , početna jezgra ima oblik aksijalno simetričnog elipsoida, površinska energija E" p i Coulombova energija E" k kao funkcije parametra deformacije mijenjaju se na sljedeći način:

U omjerima (7,4-7,5) E n i E k su površinska i Kulonova energija početne sferno simetrične jezgre.
U području teških jezgri, 2E n > Ek, a zbroj površinske i Coulombove energije raste s povećanjem . Iz (7.4) i (7.5) proizlazi da pri malim deformacijama povećanje površinske energije sprječava daljnju promjenu oblika jezgre i, posljedično, fisiju.
Relacija (7.5) vrijedi za male deformacije. Ako je deformacija tolika da jezgra poprimi oblik bučice, tada površinske i Coulombove sile nastoje odvojiti jezgru i dati fragmentima sferni oblik. Dakle, s postupnim povećanjem deformacije jezgre, njezina potencijalna energija prolazi kroz maksimum. Grafikon površinske i Coulombove energije jezgre kao funkcije r prikazan je na sl. 7.2.

Prisutnost potencijalne barijere sprječava trenutnu spontanu nuklearnu fisiju. Da bi se jezgra podijelila, treba joj dati energiju Q koja prelazi visinu fisijske barijere H. Maksimalna potencijalna energija fisijske jezgre E + H (na primjer, zlata) na dva identična fragmenta je ≈ 173 MeV , a energija E koja se oslobađa tijekom fisije iznosi 132 MeV . Dakle, tijekom fisije zlatne jezgre potrebno je prevladati potencijalnu barijeru visine oko 40 MeV.
Visina fisijske barijere H je veća što je manji omjer Coulombove i površinske energije E prema /E p u početnoj jezgri. Taj se omjer, pak, povećava s povećanjem parametra podjele Z 2 /A (7.3). Što je jezgra teža, to je niža visina fisijske barijere H, budući da parametar fisije, pod pretpostavkom da je Z proporcionalan A, raste s povećanjem masenog broja:

E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a ​​2 A) ~ A.

(7.6)

Stoga teže jezgre općenito moraju biti opskrbljene s manje energije kako bi izazvale nuklearnu fisiju.
Visina fisijske barijere nestaje na 2E p – Ec = 0 (7,5). U ovom slučaju

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

Dakle, prema modelu kapljice, jezgre sa Z 2 /A > 49 ne mogu postojati u prirodi, jer bi se morale spontano podijeliti na dva fragmenta gotovo trenutno u karakterističnom nuklearnom vremenu reda 10-22 s. Ovisnosti oblika i visine potencijalne barijere H, kao i energije fisije, o vrijednosti parametra Z 2 /A prikazane su na sl. 7.3.

Riža. 7.3. Radijalna ovisnost oblika i visine potencijalne barijere i energije fisije E pri različitim vrijednostima parametra Z 2 /A. Vrijednost E p + E k iscrtava se na okomitoj osi.

Spontana nuklearna fisija sa Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 godina za 232 Th do 0,3 s za 260 Rf.
Prisilna nuklearna fisija sa Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Minimalna vrijednost energije uzbude složene jezgre E* koja nastaje tijekom hvatanja neutrona jednaka je energiji vezanja neutrona u ovoj jezgri ε n . Tablica 7.1 uspoređuje visinu barijere H i energiju vezanja neutrona ε n za izotope Th, U, Pu koji nastaju nakon hvatanja neutrona. Energija vezanja neutrona ovisi o broju neutrona u jezgri. Zbog energije uparivanja, energija veze parnog neutrona veća je od energije veze neparnog neutrona.

Tablica 7.1

Visina fisijske barijere H, energija vezanja neutrona ε n

Izotop	Visina fisijske barijere H, MeV	Izotop	Energija vezanja neutrona ε n
232th	5.9	233th	4.79
233 U	5.5	234 U	6.84
235 U	5.75	236 U	6.55
238 U	5.85	239 U	4.80
239 Pu	5.5	240 Pu	6.53

karakteristično obilježje fisija je da fragmenti imaju različite mase. U slučaju najvjerojatnije fisije od 235 U, omjer mase fragmenata je u prosjeku ~1,5. Raspodjela mase 235 U fisijskih fragmenata toplinskim neutronima prikazana je na Sl. 7.4. Za najvjerojatnije fisije, teški ulomak ima maseni broj 139, lagani - 95. Među produktima fisije nalaze se fragmenti s A = 72 - 161 i Z = 30 - 65. Vjerojatnost fisije na dva ulomka od jednaka masa nije jednaka nuli. Kod fisije 235 U toplinskim neutronima, vjerojatnost simetrične fisije je otprilike tri reda veličine manja nego u slučaju najvjerojatnije fisije na fragmente s A = 139 i 95.
Asimetrična fisija se objašnjava strukturom ljuske jezgre. Jezgra se nastoji podijeliti na takav način da glavni dio nukleona svakog fragmenta tvori najstabilniju magičnu jezgru.
Omjer broja neutrona i broja protona u jezgri 235 U N/Z = 1,55, dok je stabilni izotopi, koji imaju maseni broj blizu masenog broja fragmenata, ovaj omjer je 1,25 − 1,45. Posljedično, ispada da su fisijski fragmenti jako preopterećeni neutronima i moraju biti
β - radioaktivan. Stoga fisijski fragmenti doživljavaju uzastopne β - raspade, a naboj primarnog fragmenta može se promijeniti za 4 - 6 jedinica. Ispod je karakterističan lanac radioaktivnih raspada 97 Kr - jedan od fragmenata nastalih tijekom fisije 235 U:

Ekscitacija fragmenata, uzrokovana kršenjem omjera broja protona i neutrona, što je karakteristično za stabilne jezgre, također se uklanja zbog emisije brzih fisijskih neutrona. Ovi neutroni emitiraju se pomicanjem fragmenata u vremenu manjem od ~ 10 -14 s. U prosjeku se 2 − 3 brza neutrona emitiraju u svakom događaju fisije. Njihov energetski spektar je kontinuiran s maksimumom oko 1 MeV. Prosječna energija brzog neutrona je blizu 2 MeV. Emisija više od jednog neutrona u svakom događaju fisije omogućuje dobivanje energije lančanom reakcijom nuklearne fisije.
U najvjerojatnijem cijepanju 235 U toplinskim neutronima, lagani fragment (A = 95) dobiva kinetičku energiju ≈ 100 MeV, a teški (A = 139) dobiva oko 67 MeV. Dakle, ukupna kinetička energija fragmenata iznosi ≈ 167 MeV. Ukupna energija fisije u ovom slučaju je 200 MeV. Tako se preostala energija (33 MeV) raspoređuje među ostalim produktima fisije (neutroni, elektroni i antineutrini β - raspad fragmenata, γ-zračenje fragmenata i njihovi produkti raspada). Raspodjela energije fisije između različitih proizvoda tijekom fisije 235 U toplinskim neutronima data je u tablici 7.2.

Tablica 7.2

Distribucija energije fisije 235 U toplinski neutroni

Proizvodi nuklearne fisije (NF) složena su mješavina više od 200 radioaktivnih izotopa 36 elemenata (od cinka do gadolinija). Većinu aktivnosti čine kratkoživi radionuklidi. Dakle, nakon 7, 49 i 343 dana nakon eksplozije, aktivnost PND-a smanjuje se za 10, 100, odnosno 1000 puta, u usporedbi s aktivnošću jedan sat nakon eksplozije. Prinos biološki najznačajnijih radionuklida dat je u tablici 7.3. Uz PND, radioaktivnu kontaminaciju uzrokuju radionuklidi inducirane aktivnosti (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co itd.) te nepodijeljeni dio urana i plutonija. Posebno je velika uloga inducirane aktivnosti u termonuklearnim eksplozijama.

Tablica 7.3

Oslobađanje nekih fisijskih produkata u nuklearnoj eksploziji

Radionuklid	Pola zivota	Izlaz po podjeli, %	Aktivnost po 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 dana	2.56	590
90Sr	29,12 godina	3.5	3.9
95 Zr	65 dana	5.07	920
103 Ru	41 dan	5.2	1500
106 Ru	365 dana	2.44	78
131 I	8,05 dana	2.9	4200
136Cs	13,2 dana	0.036	32
137Cs	30 godina	5.57	5.9
140 Ba	12,8 dana	5.18	4700
141Cs	32,5 dana	4.58	1600
144Cs	288 dana	4.69	190
3H	12,3 godine	0.01	2,6 10 -2

Tijekom nuklearnih eksplozija u atmosferi znatan dio oborina (do 50% u zemaljskim eksplozijama) pada u blizini ispitnog područja. Dio radioaktivnih tvari zadržava se u donjem dijelu atmosfere i pod utjecajem vjetra kreće se na velike udaljenosti, ostajući približno na istoj geografskoj širini. Budući da su u zraku oko mjesec dana, radioaktivne tvari tijekom ovog kretanja postupno padaju na Zemlju. Većina radionuklida ispušta se u stratosferu (do visine od 10÷15 km), gdje su globalno raspršeni i velikim dijelom se raspadaju.
Različiti elementi dizajna nuklearnih reaktora imaju visoku aktivnost već desetljećima (tablica 7.4)

Tablica 7.4

Vrijednosti specifične aktivnosti (Bq/t urana) glavnih fisijskih produkata u gorivnim elementima uklonjenim iz reaktora nakon tri godine rada

Radionuklid	0	1 dan	120 dana	1 godina		10 godina
85 kr	5. 78· 10 14	5. 78· 10 14	5. 66· 10 14	5. 42· 10 14	4. 7· 10 14	3. 03· 10 14
89Sr	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90Sr	3. 51· 10 15	3. 51· 10 15	3. 48· 10 15	3. 43· 10 15	3. 26· 10 15	2. 75· 10 15
95 Zr	7. 29· 10 16	7. 21· 10 16	1. 99· 10 16	1. 4· 10 15	5. 14· 10 11
95Nb	7. 23· 10 16	7. 23· 10 16	3. 57· 10 16	3. 03· 10 15	1. 14· 10 12
103 Ru	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 Ru	2. 37· 10 16	2. 37· 10 16	1. 89· 10 16	1. 19· 10 16	3. 02· 10 15	2. 46· 10 13
131 I	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	4. 69· 10 15	4. 69· 10 15	4. 65· 10 15	4. 58· 10 15	4. 38· 10 15	3. 73· 10 15
140 Ba	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140la	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 Ce	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144. godine	5. 44· 10 16	5. 44· 10 16	4. 06· 10 16	2. 24· 10 16	3. 77· 10 15	7. 43· 10 12
143 sati	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 sati	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Fisiju jezgri urana bombardirajući ih neutronima otkrili su 1939. njemački znanstvenici Otto Hahn i Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879.-1968.)
Njemački fizičar, pionir znanstvenik u području radiokemije. Otkrio fisiju urana, brojnih radioaktivnih elemenata

Fritz Strassmann (1902.-1980.)
njemački fizičar i kemičar. Radovi se odnose na nuklearnu kemiju, nuklearnu fisiju. Dao je kemijski dokaz procesu fisije

Razmotrimo mehanizam ovog fenomena. Slika 162, a konvencionalno prikazuje jezgru atoma urana. Nakon što je apsorbirala dodatni neutron, jezgra se pobuđuje i deformira, dobivajući izduženi oblik (slika 162, b).

Riža. 162. Proces fisije jezgre urana pod utjecajem neutrona koji je pao u nju

Već znate da u jezgri djeluju dvije vrste sila: elektrostatičke sile odbijanja između protona, koje teže razbijanju jezgre, i nuklearne privlačne sile između svih nukleona, zbog kojih se jezgra ne raspada. Ali nuklearne sile su kratkog dometa, stoga u izduženoj jezgri više ne mogu držati dijelove jezgre koji su međusobno jako udaljeni. Pod djelovanjem elektrostatičkih odbojnih sila, jezgra se razdire na dva dijela (sl. 162, c), koji se velikom brzinom raspršuju u različitim smjerovima i emitiraju 2-3 neutrona.

Ispada da se dio unutarnje energije jezgre pretvara u kinetičku energiju letećih fragmenata i čestica. Fragmenti se brzo usporavaju u okolini, zbog čega se njihova kinetička energija pretvara u unutarnju energiju medija (tj. u energiju interakcije i toplinskog gibanja njegovih sastavnih čestica).

Uz istodobnu fisiju velikog broja jezgri urana unutarnja energija okolina koja okružuje uran i, sukladno tome, njegova temperatura se primjetno povećava (tj. okoliš se zagrijava).

Dakle, reakcija fisije jezgri urana nastavlja se oslobađanjem energije u okoliš.

Energija sadržana u jezgri atoma je kolosalna. Na primjer, potpunim cijepanjem svih jezgri prisutnih u 1 g urana, oslobodila bi se ista količina energije koja se oslobađa tijekom izgaranja 2,5 tona nafte. Za pretvaranje unutarnje energije atomskih jezgri u električnu energiju nuklearne elektrane koriste tzv lančane reakcije nuklearne fisije.

Razmotrimo mehanizam lančane reakcije nuklearne fisije izotopa urana. Jezgra atoma urana (slika 163) kao rezultat hvatanja neutrona podijeljena je na dva dijela, pri čemu je emitirala tri neutrona. Dva od tih neutrona izazvala su reakciju fisije još dvije jezgre, čime su nastala četiri neutrona. Oni su pak uzrokovali fisiju četiri jezgre, nakon čega je nastalo devet neutrona itd.

Lančana reakcija je moguća zbog činjenice da se tijekom cijepanja svake jezgre stvaraju 2-3 neutrona, koji mogu sudjelovati u fisiji drugih jezgri.

Na slici 163 prikazan je dijagram lančane reakcije u kojem ukupni broj slobodni neutroni u komadiću urana s vremenom se povećavaju poput lavine. Sukladno tome, broj nuklearnih fisija i energija koja se oslobađa po jedinici vremena naglo raste. Stoga je takva reakcija eksplozivna (odvija se u atomskoj bombi).

Riža. 163. Lančana reakcija fisije jezgri urana

Moguća je i druga opcija, u kojoj se broj slobodnih neutrona smanjuje s vremenom. U tom slučaju lančana reakcija prestaje. Stoga se takva reakcija ne može koristiti ni za proizvodnju električne energije.

U miroljubive svrhe moguće je koristiti samo energiju takve lančane reakcije u kojoj se broj neutrona ne mijenja tijekom vremena.

Kako osigurati da broj neutrona ostane konstantan cijelo vrijeme? Da biste riješili ovaj problem, morate znati koji čimbenici utječu na povećanje i smanjenje ukupnog broja slobodnih neutrona u komadu urana u kojem dolazi do lančane reakcije.

Jedan od takvih čimbenika je masa urana. Činjenica je da svaki neutron emitiran tijekom nuklearne fisije ne uzrokuje fisiju drugih jezgri (vidi sliku 163). Ako je masa (i, sukladno tome, veličina) komada urana premala, tada će iz njega izletjeti mnogi neutroni, koji neće imati vremena da se susreću s jezgrom na svom putu, izazvati njezinu fisiju i tako stvoriti novu generaciju neutrona potrebnih za nastavak reakcije. U tom slučaju lančana reakcija će se zaustaviti. Kako se reakcija ne bi zaustavila, potrebno je povećati masu urana na određenu vrijednost pozvao kritično.

Zašto lančana reakcija postaje moguća s povećanjem mase? Što je veća masa nekog komada, to su veće njegove dimenzije i duži put koji neutroni putuju u njemu. U tom slučaju povećava se vjerojatnost susreta neutrona s jezgrama. Sukladno tome, povećava se broj nuklearnih fisija i broj emitiranih neutrona.

Pri kritičnoj masi urana, broj neutrona koji su se pojavili tijekom cijepanja jezgri postaje jednak broju izgubljenih neutrona (tj. zarobljenih od strane jezgara bez fisije i izlijetanja iz komada).

Stoga njihov ukupan broj ostaje nepromijenjen. U tom slučaju može doći do lančane reakcije Dugo vrijeme, bez zaustavljanja i bez dobivanja eksplozivnog karaktera.

• Najmanja masa urana pri kojoj je moguća lančana reakcija naziva se kritična masa.

Ako je masa urana više nego kritična, tada kao rezultat naglog povećanja broja slobodnih neutrona, lančana reakcija dovodi do eksplozije, a ako je manja od kritične, tada se reakcija ne odvija zbog nedostatak slobodnih neutrona.

Gubitak neutrona (koji izlete iz urana bez reakcije s jezgrama) moguće je smanjiti ne samo povećanjem mase urana, već i korištenjem posebne reflektirajuće ljuske. Da biste to učinili, komadić urana stavlja se u školjku napravljenu od tvari koja dobro reflektira neutrone (na primjer, berilij). Odraženi od ove ljuske, neutroni se vraćaju u uran i mogu sudjelovati u nuklearnoj fisiji.

Postoji nekoliko drugih čimbenika o kojima ovisi mogućnost lančane reakcije. Na primjer, ako komad urana sadrži previše nečistoća drugih kemijskih elemenata, tada oni apsorbiraju većinu neutrona i reakcija se zaustavlja.

Prisutnost takozvanog moderatora neutrona u uranu također utječe na tijek reakcije. Činjenica je da se jezgre urana-235 najvjerojatnije cijepaju pod djelovanjem sporih neutrona. Nuklearna fisija proizvodi brze neutrone. Ako se brzi neutroni uspore, tada će većinu njih zarobiti jezgre urana-235 s naknadnom fisijom tih jezgri. Tvari kao što su grafit, voda, teška voda (koja uključuje deuterij, izotop vodika s masenim brojem 2) i neke druge se koriste kao moderatori. Te tvari samo usporavaju neutrone, gotovo ih ne apsorbirajući.

Dakle, mogućnost lančane reakcije određena je masom urana, količinom nečistoća u njemu, prisutnošću ljuske i moderatora te nekim drugim čimbenicima.

Kritična masa sfernog komada urana-235 je otprilike 50 kg. Štoviše, njegov radijus je samo 9 cm, budući da uran ima vrlo veliku gustoću.

Korištenjem moderatora i reflektirajuće školjke te smanjenjem količine nečistoća moguće je smanjiti kritičnu masu urana na 0,8 kg.

Pitanja

1. Zašto nuklearna fisija može započeti tek kada se deformira pod djelovanjem apsorbiranog neutrona?
2. Što nastaje kao rezultat nuklearne fisije?
3. U koju energiju prolazi dio unutarnje energije jezgre tijekom njezina cijepanja; kinetička energija fragmenata jezgre urana tijekom njihovog usporavanja u okolišu?
4. Kako se odvija reakcija fisije jezgri urana - s oslobađanjem energije u okoliš ili, obrnuto, s apsorpcijom energije?
5. Opiši mehanizam lančane reakcije pomoću slike 163.
6. Kolika je kritična masa urana?
7. Je li moguća lančana reakcija ako je masa urana manja od kritične; kritičniji? Zašto?

>> fisija urana

§ 107 FISIJA URANOVA JEZDRA

Samo se jezgre nekih teških elemenata mogu podijeliti na dijelove. Tijekom cijepanja jezgri emitiraju se dva ili tri neutrona i -zrake. Istodobno se oslobađa puno energije.

Otkriće fisije urana. Fisiju jezgri urana otkrili su 1938. njemački znanstvenici O. Hahn i F. Strassmanna. Utvrdili su da prilikom bombardiranja urana neutronima nastaju elementi srednjeg dijela periodnog sustava: barij, kripton itd. No, ispravno tumačenje te činjenice upravo kao fisije jezgre urana koja je zahvatila neutron dano je u početkom 1939. engleski fizičar O. Frisch zajedno s austrijskim fizičarem L. Meitnerom.

Hvatanje neutrona uništava stabilnost jezgre. Jezgra se pobuđuje i postaje nestabilna, što dovodi do njezine podjele na fragmente. Nuklearna fisija je moguća jer je masa mirovanja teške jezgre veća od zbroja masa mirovanja fragmenata koji nastaju tijekom fisije. Stoga dolazi do oslobađanja energije jednakog smanjenju mase mirovanja koje prati fisiju.

Mogućnost fisije teških jezgri također se može objasniti pomoću grafa ovisnosti specifične energije vezanja o masenom broju A (vidi sliku 13.11). Specifična energija vezanja atomskih jezgri elemenata koji se nalaze u periodnom sustavu posljednja mjesta(A 200), približno 1 MeV manje od specifične energije vezanja u jezgri elemenata smještenih u sredini periodnog sustava (A 100). Stoga je proces cijepanja teških jezgri u jezgre elemenata u srednjem dijelu periodnog sustava energetski povoljan. Nakon fisije, sustav prelazi u stanje s minimalnom unutarnjom energijom. Uostalom, što je veća energija vezanja jezgre, to se veća energija mora osloboditi kada jezgra nastane i, posljedično, manja je unutarnja energija novonastalog sustava.

Tijekom nuklearne fisije energija vezanja po nukleonu raste za 1 MeV, a ukupna oslobođena energija trebala bi biti ogromna – oko 200 MeV. Ni pod kojim drugim nuklearna reakcija(nije povezano s fisijom) tako velike energije se ne oslobađaju.

Izravna mjerenja energije oslobođene tijekom fisije jezgre urana potvrdila su gornja razmatranja i dala vrijednost od 200 MeV. Štoviše, većina te energije (168 MeV) otpada na kinetičku energiju fragmenata. Na slici 13.13 vidite tragove fisivnih fragmenata urana u komori oblaka.

Energija koja se oslobađa tijekom nuklearne fisije je elektrostatičkog, a ne nuklearnog podrijetla. Velika kinetička energija koju fragmenti imaju nastaje zbog njihovog Coulombovog odbijanja.

mehanizam nuklearne fisije. Proces nuklearne fisije može se objasniti na temelju modela kapljice jezgre. Prema ovom modelu, hrpa nukleona nalikuje kapljici nabijene tekućine (slika 13.14, a). Nuklearne sile između nukleona su kratkog dometa, poput sila koje djeluju između tekućih molekula. Uz snažne sile elektrostatičkog odbijanja između protona, koje nastoje razdvojiti jezgru, postoje još veće nuklearne sile privlačenja. Te sile sprječavaju jezgru da se raspadne.

Jezgra urana-235 je sferna. Nakon što je apsorbirao dodatni neutron, on je uzbuđen i počinje se deformirati, dobivajući izduženi oblik (slika 13.14, b). Jezgra će se rastezati sve dok odbojne sile između polovica izdužene jezgre ne počnu prevladavati nad privlačnim silama koje djeluju u prevlaci (slika 13.14, c). Nakon toga se kida na dva dijela (slika 13.14, d).

Pod djelovanjem Coulombovih odbojnih sila ti se fragmenti razlijeću brzinom jednakom 1/30 brzine svjetlosti.

Emisija neutrona tijekom fisije. Temeljna činjenica nuklearne fisije je emisija dva ili tri neutrona tijekom fisije. To je to omogućilo praktična upotreba intranuklearna energija.

Moguće je razumjeti zašto se emitiraju slobodni neutroni iz sljedećih razmatranja. Poznato je da omjer broja neutrona i broja protona u stabilnim jezgrama raste s povećanjem atomskog broja. Stoga se u fragmentima koji nastaju fisijom relativni broj neutrona pokazuje većim nego što je dopušteno za jezgre atoma smještene u sredini periodnog sustava. Kao rezultat toga, nekoliko neutrona se oslobađa u procesu fisije. Njihova energija je razna značenja- od nekoliko milijuna elektron volti do vrlo malih, blizu nule.

Fisija se obično događa u fragmente čija se masa razlikuje oko 1,5 puta. Ovi fragmenti su visoko radioaktivni, jer sadrže višak neutrona. Kao rezultat niza uzastopnih raspada, na kraju se dobivaju stabilni izotopi.

Zaključno, napominjemo da postoji i spontana fisija jezgri urana. Otkrili su ga sovjetski fizičari G. N. Flerov i K. A. Petrzhak 1940. Vrijeme poluraspada spontane fisije je 10 16 godina. To je dva milijuna puta dulje od vremena poluraspada urana.

Reakcija nuklearne fisije popraćena je oslobađanjem energije.

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir predavanja prezentacija akceleratorske metode interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća rasprava pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječke i multimediju fotografije, slike grafike, tablice, sheme humor, anegdote, vicevi, strip parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za znatiželjne cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje pogrešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu smjernice raspravni programi Integrirane lekcije

Godine 1934. E. Fermi je odlučio dobiti transuranijeve elemente zračenjem 238 U neutronima. Ideja E. Fermija bila je da kao rezultat β - raspada izotopa 239 U, kemijski element s atomskim brojem Z = 93. Međutim, nije bilo moguće identificirati nastanak 93. elementa. Umjesto toga, kao rezultat radiokemijske analize radioaktivnih elemenata koju su izvršili O. Hahn i F. Strassmann, pokazalo se da je jedan od proizvoda zračenja urana neutronima barij (Z = 56) - kemijski element srednje atomske težine , dok su prema pretpostavci Fermijeve teorije trebali biti proizvedeni transuranski elementi.
L. Meitner i O. Frisch sugerirali su da se kao rezultat hvatanja neutrona od strane jezgre urana, složena jezgra raspada na dva dijela

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Proces fisije urana popraćen je pojavom sekundarnih neutrona (x > 1) koji mogu uzrokovati fisiju drugih jezgri urana, što otvara potencijal za lančanu reakciju fisije - jedan neutron može dovesti do razgranatog lanca fisije jezgri urana. U tom slučaju, broj odvojenih jezgri trebao bi se eksponencijalno povećati. N. Bohr i J. Wheeler izračunali su kritičnu energiju potrebnu da se jezgra 236 U, nastala kao rezultat hvatanja neutrona izotopom 235 U, podijeli. Ova vrijednost je 6,2 MeV, što je manje od energije pobuđivanja izotopa 236 U nastalog tijekom hvatanja toplinskog neutrona 235 U. Stoga, kada se zahvate toplinski neutroni, moguća je lančana reakcija fisije od 235 U. Za većinu zajedničkog izotopa 238 U, kritična energija je 5,9 MeV, dok kada se uhvati toplinski neutron, energija uzbude rezultirajuće jezgre 239 U iznosi samo 5,2 MeV. Stoga je nemoguća lančana reakcija fisije najčešćeg u prirodi izotopa 238 U pod djelovanjem toplinskih neutrona. U jednom događaju fisije oslobađa se energija od ≈ 200 MeV (za usporedbu, in kemijske reakcije izgaranja u jednom činu reakcije oslobađa se energija od ≈ 10 eV). Mogućnost stvaranja uvjeta za lančanu reakciju fisije otvorila je izglede za korištenje energije lančane reakcije za stvaranje atomskih reaktora i atomskog oružja. Prvi nuklearni reaktor izgradio je E. Fermi u SAD-u 1942. U SSSR-u je prvi nuklearni reaktor pokrenut pod vodstvom I. Kurchatova 1946. Godine 1954. u Obninsku je počela raditi prva nuklearna elektrana na svijetu. Trenutno se električna energija proizvodi u oko 440 nuklearnih reaktora u 30 zemalja svijeta.
Godine 1940. G. Flerov i K. Petrzhak otkrili su spontanu fisiju urana. Sljedeće brojke svjedoče o složenosti pokusa. Djelomični poluživot s obzirom na spontanu fisiju izotopa 238 U iznosi 10 16 –10 17 godina, dok je period raspada izotopa 238 U 4,5∙10 9 godina. Glavni kanal raspada za izotop 238 U je α-raspad. Kako bi se promatrala spontana fisija izotopa 238 U, bilo je potrebno registrirati jedan događaj fisije na pozadini 10 7 –10 8 događaja α-raspada.
Vjerojatnost spontane fisije uglavnom je određena propusnošću fisijske barijere. Vjerojatnost spontane fisije raste s povećanjem naboja jezgre, budući da. to povećava parametar podjele Z 2 /A. U Z izotopi< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, prevladava simetrična fisija s stvaranjem fragmenata iste mase. Kako se naboj jezgre povećava, udio spontane fisije raste u usporedbi s α-raspadom.

Izotop	Pola zivota	kanali propadanja
235 U	7.04 10 8 godina	α (100%), SF (7 10 -9%)
238 U	4,47 10 9 godina	α (100%), SF (5,5 10 -5%)
240 Pu	6,56 10 3 godine	α (100%), SF (5,7 10 -6%)
242 Pu	3,75 10 5 godina	α (100%), SF (5,5 10 -4%)
246 cm	4,76 10 3 godine	α (99,97%), SF (0,03%)
252 usp	2,64 godine	α (96,91%), SF (3,09%)
254 usp	60,5 godina	α (0,31%), SF (99,69%)
256 usp	12,3 godine	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Nuklearna fizija. Priča

1934. godine- E. Fermi je, zračeći uran toplinskim neutronima, među produktima reakcije pronašao radioaktivne jezgre čija se priroda nije mogla utvrditi.
L. Szilard iznio je ideju nuklearne lančane reakcije.

1939. godine− O. Hahn i F. Strassmann su među produktima reakcije otkrili barij.
L. Meitner i O. Frisch su prvi put objavili da se pod djelovanjem neutrona uran rascijepio na dva fragmenta usporedive mase.
N. Bohr i J. Wheeler dali su kvantitativno tumačenje nuklearne fisije uvodeći parametar fisije.
Ya. Frenkel je razvio teoriju kapi o nuklearnoj fisiji sporim neutronima.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton potkrijepili su mogućnost lančane reakcije nuklearne fisije koja se događa u uranu.

1940. godine− G. Flerov i K. Petrzhak otkrili su fenomen spontane fisije jezgri urana U.

1942. godine− E. Fermi proveo je kontroliranu lančanu reakciju fisije u prvom atomskom reaktoru.

1945. godine− Prvi test nuklearnog oružja (Nevada, SAD). Atomske bombe bačene su na japanske gradove Hirošimu (6. kolovoza) i Nagasaki (9. kolovoza).

1946. godine− Pod vodstvom I.V. Kurčatov, pušten je prvi reaktor u Europi.

1954. godine− Puštena je u rad prva nuklearna elektrana na svijetu (Obninsk, SSSR).

Nuklearna fizija.Od 1934. E. Fermi je počeo koristiti neutrone za bombardiranje atoma. Od tada se broj stabilnih ili radioaktivnih jezgri dobivenih umjetnom transformacijom povećao na stotine, a gotovo sva mjesta u periodnom sustavu popunjena su izotopima.
Atomi koji su nastali u svim tim nuklearnim reakcijama zauzimali su isto mjesto u periodnom sustavu kao bombardirani atom ili susjedna mjesta. Dakle, dokaz Hahna i Strassmanna iz 1938. o činjenici da kada neutroni bombardiraju posljednji element periodnog sustava−urana−raspadaju na elemente koji se nalaze u srednjim dijelovima periodnog sustava. Nastupa ovdje različite vrste propadanje. Atomi koji nastaju uglavnom su nestabilni i odmah se dalje raspadaju; neki imaju poluživot mjeren u sekundama, pa se Gan morao prijaviti analitička metoda Curie produžiti tako brz proces. Važno je napomenuti da elementi ispred urana, protaktinij i torij, također pokazuju sličan raspad pod djelovanjem neutrona, iako je za početak raspada potrebna veća energija neutrona nego u slučaju urana. Uz to su 1940. G. N. Flerov i K. A. Petrzhak otkrili spontanu fisiju jezgre urana s najdužim poluraspadom poznatim do tada: oko 2· 10 15 godina; ova činjenica postaje jasna zbog neutrona koji se oslobađaju u procesu. Tako je bilo moguće razumjeti zašto "prirodni" periodični sustav završava s tri imenovana elementa. Transuranijevi elementi su sada poznati, ali su toliko nestabilni da brzo propadaju.
Fisija urana pomoću neutrona sada omogućuje korištenje atomske energije, što su mnogi već zamišljali kao "san Julesa Vernea".

M. Laue, Povijest fizike

1939. O. Hahn i F. Strassmann, zračeći soli urana toplinskim neutronima, otkrili među produktima reakcije barij (Z = 56)

Otto Gunn (1879 – 1968)

Nuklearna fisija je cijepanje jezgre na dvije (rijetko tri) jezgre slične mase, koje se nazivaju fisijski fragmenti. Tijekom fisije nastaju i druge čestice - neutroni, elektroni, α-čestice. Kao rezultat fisije, oslobađa se energija od ~200 MeV. Fisija može biti spontana ili prisilna pod djelovanjem drugih čestica, najčešće neutrona.
Karakteristična značajka fisije je da se fisijski fragmenti u pravilu značajno razlikuju po masi, tj. prevladava asimetrična fisija. Dakle, u slučaju najvjerojatnije fisije izotopa urana 236 U, omjer mase fragmenata iznosi 1,46. Teški fragment ima maseni broj 139 (ksenon), a laki fragment mase 95 (stroncij). Uzimajući u obzir emisiju dva brza neutrona, razmatrana reakcija fisije ima oblik

Nobelova nagrada za kemiju
1944. - O. Gan.
Za otkriće reakcije fisije jezgri urana neutronima.

Fisijske krhotine

Ovisnost prosječne mase lakih i teških skupina fragmenata o masi fisijske jezgre.

Otkriće nuklearne fisije. 1939. godine

Došao sam u Švedsku, gdje je Lise Meitner patila od samoće, i kao odani nećak odlučio sam je posjetiti za Božić. Živjela je u malom hotelu Kungälv u blizini Göteborga. Uhvatio sam je za doručkom. Razmotrila je pismo koje je upravo dobila od Hana. Bio sam vrlo skeptičan u vezi sa sadržajem pisma u kojem se izvještava o stvaranju barija zračenjem urana neutronima. Međutim, privukla ju je ova prilika. Hodali smo po snijegu, ona je hodala, ja sam skijao (ona je rekla da može ovako, a da ne zaostane za mnom, i to je dokazala). Na kraju šetnje već smo mogli formulirati neke zaključke; jezgra se nije rascijepila i komadići nisu odletjeli s nje, ali je to bio proces koji je više nalikovao modelu pada Bohrove jezgre; poput kapljice, jezgra bi se mogla izdužiti i podijeliti. Zatim sam istražio kako električno punjenje nukleoni smanjuju površinsku napetost, koja, kako sam uspio ustanoviti, pada na nulu pri Z = 100 i, možda, vrlo je mala za uran. Lise Meitner je bila angažirana u određivanju energije koja se oslobađa tijekom svakog raspada zbog defekta mase. Imala je vrlo jasnu ideju o krivulji defekta mase. Pokazalo se da bi zbog elektrostatičkog odbijanja fisijski elementi stekli energiju od oko 200 MeV, a to je upravo odgovaralo energiji povezanoj s defektom mase. Stoga bi se proces mogao odvijati čisto klasično bez uključivanja koncepta prolaska kroz potencijalnu barijeru, što bi, naravno, ovdje bilo beskorisno.
Za Božić smo proveli dva-tri dana zajedno. Onda sam se vratio u Kopenhagen i jedva sam stigao Bohru ispričati našu ideju baš u trenutku kada se već ukrcao na parobrod za SAD. Sjećam se kako se pljesnuo po čelu čim sam počela govoriti i uzviknuo: “Ma, kakve smo mi budale! Trebali smo to prije primijetiti." Ali nije primijetio, a nitko nije primijetio.
Lise Meitner i ja smo napisali članak. Istodobno, stalno smo bili u kontaktu međugradskim telefonom Kopenhagen - Stockholm.

O. Frisch, Memoari. UFN. 1968. T. 96, broj 4, str. 697.

Spontana nuklearna fisija

U dolje opisanim eksperimentima koristili smo metodu koju je prvi predložio Frisch za snimanje procesa nuklearne fisije. Ionizacijska komora s pločama obloženim slojem uranovog oksida spojena je na linearno pojačalo podešeno na način da sustav ne registrira α čestice emitirane iz urana; impulsi iz fragmenata, koji su mnogo veći od impulsa iz α-čestica, otključavaju izlazni tiratron i smatraju se mehaničkim relejem.
Ionizacijska komora je posebno dizajnirana u obliku višeslojnog ravnog kondenzatora sa s ukupnom površinom 15 ploča u 1000 cm Ploče, koje se nalaze na udaljenosti od 3 mm jedna od druge, obložene su slojem uranovog oksida 10-20 mg/cm 2 .
U prvim pokusima s pojačalom podešenim za brojanje fragmenata, bilo je moguće promatrati spontane (u nedostatku izvora neutrona) impulse na releju i osciloskopu. Broj tih impulsa bio je mali (6 na 1 sat), pa je stoga sasvim razumljivo da se ovaj fenomen nije mogao promatrati kamerama uobičajenog tipa...
Skloni smo tako misliti učinak koji opažamo mora se pripisati fragmentima koji su rezultat spontane fisije urana...

Spontanu fisiju treba pripisati jednom od nepobuđenih U izotopa s poluraspadom izvedenim iz procjene naših rezultata:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 godine,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 godine,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 godine.

Raspad izotopa 238 U

Spontana nuklearna fisija

Poluživot spontano fisijskih izotopa Z = 92 - 100

Prvi eksperimentalni sustav s uran-grafitnom rešetkom izgrađen je 1941. godine pod vodstvom E. Fermija. Bila je to grafitna kocka s rebrom dugim 2,5 m, koja je sadržavala oko 7 tona uranovog oksida, zatvorena u željezne posude, koje su bile smještene u kocki na jednakoj udaljenosti jedna od druge. Izvor RaBe neutrona postavljen je na dno uran-grafitne rešetke. Faktor multiplikacije u takvom sustavu bio je ≈0,7. Uranijev oksid je sadržavao od 2 do 5% nečistoća. Daljnji napori usmjereni su na dobivanje više čisti materijali a do svibnja 1942. dobiven je uranijev oksid u kojem je nečistoća bila manja od 1%. Da bi se osigurala lančana reakcija fisije, bilo je potrebno upotrijebiti veliku količinu grafita i urana - reda veličine nekoliko tona. Nečistoće su trebale biti manje od nekoliko dijelova na milijun. Reaktor, koji je krajem 1942. sastavio Fermi na Sveučilištu u Chicagu, imao je oblik nepotpunog sferoida odsječenog odozgo. Sadržavao je 40 tona urana i 385 tona grafita. Navečer 2. prosinca 1942., nakon što su uklonjene šipke apsorbera neutrona, otkriveno je da se unutar reaktora odvija nuklearna lančana reakcija. Izmjereni koeficijent iznosio je 1,0006. U početku je reaktor radio na razini snage od 0,5 W. Do 12. prosinca njegova je snaga povećana na 200 vata. Nakon toga, reaktor je premješten na više sigurno mjesto, a snaga mu je povećana na nekoliko kW. U ovom slučaju, reaktor je trošio 0,002 g urana-235 dnevno.

Prvi nuklearni reaktor u SSSR-u

Zgrada za prvi istraživački nuklearni reaktor F-1 u SSSR-u bila je spremna do lipnja 1946. godine.
Nakon provedenih svih potrebnih eksperimenata, razvijen je sustav upravljanja i zaštite reaktora, utvrđene su dimenzije reaktora, provedeni su svi potrebni eksperimenti s modelima reaktora, određena je gustoća neutrona na nekoliko modela, dobiveni su grafitni blokovi. (tzv. nuklearne čistoće) i (nakon neutronsko-fizičkih provjera) blokova urana, u studenom 1946. započela je izgradnja reaktora F-1.
Ukupni polumjer reaktora bio je 3,8 m. Za njega je bilo potrebno 400 tona grafita i 45 tona urana. Reaktor je sastavljen slojevito, a u 15 sati 25. prosinca 1946. sastavljen je posljednji, 62. sloj. Nakon vađenja takozvanih hitnih šipki, kontrolna šipka je podignuta, gustoća neutrona se počela brojati i u 18 sati 25. prosinca 1946. godine zaživio je prvi reaktor u SSSR-u. Bila je to uzbudljiva pobjeda znanstvenika – tvoraca nuklearnog reaktora i svega sovjetski ljudi. Godinu i pol kasnije, 10. lipnja 1948., industrijski reaktor s vodom u kanalima došao je u kritično stanje i ubrzo je započela industrijska proizvodnja nove vrste nuklearnog goriva - plutonija.