Koji je razlog cijepanja jezgri urana. 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). Niz drugih zakona o očuvanju specifičnih za nuklearna fizika i fizike 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 nukleoni u jezgrama početnih proizvoda moraju biti manji od specifične energije vezanja nukleona u jezgrama konačnih proizvoda. To znači da ΔM mora biti pozitivan.

Postoje dvije temeljne razne načine oslobađanje 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 s maseni broj A ≈ 240 je oko 7,6 MeV/nukleon, dok je u jezgrama s masenim brojem A = 90–145 specifična energija približno 8,5 MeV/nukleon. 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 brojevima 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. Na povoljni uvjeti 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.

NA atomske bombe nekontrolirana nuklearna lančana reakcija nastaje 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 nuklearnog reaktora na sporim neutronima prikazana 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 trebala bi se osloboditi velika količina 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. Stoga, fuzija 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, prevladavajući 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 ograničavanje plazme zagrijane na milijardu stupnjeva najteži je znanstveni i tehnički zadatak na putu implementacije kontrolirane toplinske nuklearna fuzija.

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 potencijalna rupa, 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 kvantnoj mehanici, vjerojatnost prolaska čestice ispod potencijalne barijere nije nula. 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 oslobođene tijekom β-raspada između elektrona, neutrina i jezgre kćeri slučajna, β-elektroni mogu imati različite brzine u širokom rasponu.

Tijekom β-raspada, broj naboja Z raste 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. Ne stabilan izotop ugljik nastaje u atmosferi zbog nuklearnih reakcija uzrokovanih kozmičkim zrakama. 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 odumiranja biljke prestaju trošiti ugljik, a nestabilni izotop postupno prelazi u dušik kao rezultat β-raspada 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 i životni uvjeti. 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 oko 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.

Reakcije nuklearne fisije- reakcije fisije, koje se sastoje u tome da se teška jezgra pod utjecajem neutrona, a kako se kasnije pokazalo i drugih čestica, podijeli na nekoliko lakših jezgri (fragmenata), najčešće na dvije jezgre koje su bliske mase.

Značajka nuklearne fisije je da je popraćena emisijom dva ili tri sekundarna neutrona, tzv. fisijskih neutrona. Budući da je za srednje jezgre broj neutrona približno jednak broju protona ( N/Z ≈ 1), a za teške jezgre broj neutrona značajno premašuje broj protona ( N/Z ≈ 1.6), tada su nastali fisijski fragmenti preopterećeni neutronima, uslijed čega oslobađaju fisijske neutrone. Međutim, emisija fisijskih neutrona ne eliminira u potpunosti preopterećenje jezgri fragmenata neutronima. To dovodi do činjenice da su fragmenti radioaktivni. Oni mogu proći niz β - -transformacija, praćenih emisijom γ-kvanta. Budući da je β - -raspad praćen transformacijom neutrona u proton, tada će nakon lanca β - -transformacija omjer između neutrona i protona u fragmentu dosegnuti vrijednost koja odgovara stabilnom izotopu. Na primjer, tijekom fisije jezgre urana U

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

fisijska krhotina Kao rezultat tri čina β - raspada, Xe se pretvara u stabilan izotop lantana La:

heh → Cs → Ba → La.

Fragmenti fisije mogu biti raznoliki, pa reakcija (265.1) nije jedina koja dovodi do U fisije.

Većina neutrona emitira se gotovo trenutno tijekom fisije ( t≤ 10 –14 s), a dio (oko 0,7%) emitiraju fisijski fragmenti neko vrijeme nakon fisije (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Prvi od njih su tzv trenutak, drugi - odgođeno. U prosjeku se emitira 2,5 neutrona za svaki događaj fisije. Imaju relativno širok energetski spektar u rasponu od 0 do 7 MeV, s prosječnom energijom od oko 2 MeV po neutronu.

Proračuni pokazuju da bi cijepanje jezgri također trebalo biti popraćeno oslobađanjem veliki broj energije. Doista, specifična energija vezanja za jezgre srednje mase je približno 8,7 MeV, dok je za teške jezgre 7,6 MeV. Posljedično, cijepanje teške jezgre na dva fragmenta trebala bi osloboditi energiju jednaku približno 1,1 MeV po nukleonu.

Teorija fisije atomskih jezgri (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) temeljila se na modelu kapljice jezgre. Jezgra se smatra kapljicom električki nabijene nestlačive tekućine (gustoće jednake nuklearnoj i koja poštuje zakone kvantna mehanika), čije čestice, kada neutron uđe u jezgru, dolaze do oscilirajuće gibanje, uslijed čega se jezgra razdire na dva dijela, razlijećući se velikom energijom.

Vjerojatnost nuklearne fisije određena je energijom neutrona. Na primjer, ako neutroni visoke energije uzrokuju fisiju gotovo svih jezgri, onda neutroni s energijom od nekoliko mega-elektron-volti - samo teške jezgre ( ALI>210), Neutroni sa aktivacijska energija(minimalna energija potrebna za provedbu reakcije nuklearne fisije) reda veličine 1 MeV, uzrokuju fisiju jezgri urana U, torija Th, protaktinija Pa, plutonija Pu. Jezgre U, Pu i U, Th podijeljene su toplinskim neutronima (posljednja dva izotopa se ne pojavljuju u prirodi, dobivaju se umjetno).

Sekundarni neutroni emitirani tijekom nuklearne fisije mogu uzrokovati nove događaje fisije, što omogućuje izvođenje lančana reakcija fisije- nuklearna reakcija u kojoj čestice koje uzrokuju reakciju nastaju kao produkti te reakcije. Lančanu reakciju fisije karakterizira faktor množenja k neutrona, što je jednako omjeru broja neutrona u određenoj generaciji prema njihovom broju u prethodnoj generaciji. Neophodan uvjet za razvoj lančane reakcije fisije je zahtjev k ≥ 1.

Pokazalo se da ne uzrokuju svi nastali sekundarni neutroni naknadnu nuklearnu fisiju, što dovodi do smanjenja faktora umnožavanja. Prvo, zbog konačnih dimenzija jezgra(prostor u kojem se odvija vrijedna reakcija) i veliku prodornu moć neutrona, neki od njih će napustiti jezgru prije nego što ih uhvati bilo koja jezgra. Drugo, dio neutrona hvataju jezgre nefisilnih nečistoća koje su uvijek prisutne u jezgri, a uz fisiju se mogu odvijati i konkurentni procesi radijacijskog hvatanja i neelastičnog raspršenja.

Faktor multiplikacije ovisi o prirodi fisijskog materijala, a za dati izotop o njegovoj količini, kao i o veličini i obliku aktivne zone. Minimalne dimenzije aktivna zona, u kojoj je moguća lančana reakcija, nazivaju se kritične dimenzije. Minimalna masa fisijskog materijala smještena u sustavu kritičnih veličina, potrebna za provedbu lančana reakcija, pozvao kritična masa.

Brzina razvoja lančanih reakcija je različita. Neka bude T - prosječno vrijeme

život jedne generacije, i N je broj neutrona u datoj generaciji. U sljedećoj generaciji njihov broj je kN,t. e. povećanje broja neutrona po generaciji dN = kN – N = N(k- jedan). Povećanje broja neutrona u jedinici vremena, tj. brzina rasta lančane reakcije,

. (266.1)

Integrirajući (266.1), dobivamo

,

gdje N0 je broj neutrona u početnom trenutku vremena, i N- njihov broj odjednom t. N definiran je znakom ( k- jedan). Na k>1 ide razvijanje odgovora. broj podjela kontinuirano raste i reakcija može postati eksplozivna. Na k=1 ide samoodrživi odgovor kod kojih se broj neutrona ne mijenja s vremenom. Na k <1 идет blijeda reakcija,

Lančane reakcije se dijele na kontrolirane i nekontrolirane. Eksplozija atomske bombe, na primjer, je nekontrolirana reakcija. Kako bi spriječili eksploziju atomske bombe tijekom skladištenja, U (ili Pu) u njoj je podijeljen na dva međusobno udaljena dijela s masama ispod kritične. Tada se uz pomoć obične eksplozije te mase približavaju jedna drugoj, ukupna masa fisijskog materijala postaje kritičnija i dolazi do eksplozivne lančane reakcije, praćene trenutnim oslobađanjem ogromne količine energije i velikim razaranjem. Eksplozivna reakcija počinje zbog dostupnih neutrona spontane fisije ili neutrona kozmičkog zračenja. Upravljano lančane reakcije provodi u nuklearnim reaktorima.

Nuklearna fisija je cijepanje teškog atoma na dva fragmenta približno jednake mase, praćeno oslobađanjem velike količine energije.

Otkriće nuklearne fisije započelo je novu eru - "atomsko doba". Potencijal njezine moguće uporabe i omjer rizika i koristi od njezine uporabe ne samo da su generirali mnoga sociološka, ​​politička, gospodarska i znanstvena dostignuća, već i ozbiljne probleme. Čak i s čisto znanstvenog stajališta, nastao je proces nuklearne fisije veliki broj zagonetke i komplikacije, a njegovo potpuno teorijsko objašnjenje stvar je budućnosti.

Dijeljenje je isplativo

Energije vezanja (po nukleonu) razlikuju se za različite jezgre. Teži imaju nižu energiju vezanja od onih koji se nalaze u sredini periodnog sustava.

To znači da je za teške jezgre s atomskim brojem većim od 100, povoljno podijeliti se na dva manja fragmenta, čime se oslobađa energija koja se pretvara u kinetičku energiju fragmenata. Taj se proces naziva cijepanje

Prema krivulji stabilnosti, koja pokazuje ovisnost broja protona o broju neutrona za stabilne nuklide, teže jezgre preferiraju više neutrona (u usporedbi s brojem protona) nego lakše. To sugerira da će se uz proces cijepanja emitirati i neki "rezervni" neutroni. Osim toga, oni će također preuzeti dio oslobođene energije. Proučavanje nuklearne fisije atoma urana pokazalo je da se oslobađaju 3-4 neutrona: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atomski broj (i atomska masa) fragmenta nije jednak polovici atomske mase roditelja. Razlika između masa atoma nastalih kao rezultat cijepanja obično je oko 50. Međutim, razlog tome još nije sasvim jasan.

Energije vezanja 238 U, 145 La i 90 Br su 1803, 1198, odnosno 763 MeV. To znači da se kao rezultat ove reakcije oslobađa energija fisije jezgre urana, jednaka 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontana podjela

Procesi spontanog cijepanja poznati su u prirodi, ali su vrlo rijetki. Prosječni životni vijek ovog procesa je oko 10 17 godina, a npr. prosječni životni vijek alfa raspada istog radionuklida je oko 10 11 godina.

Razlog tome je da se jezgra, da bi se podijelila na dva dijela, prvo mora deformirati (rastegnuti) u elipsoidni oblik, a zatim, prije nego što se konačno podijeli na dva fragmenta, u sredini formirati “vrat”.

Potencijalna barijera

U deformiranom stanju na jezgru djeluju dvije sile. Jedna je povećana površinska energija (površinska napetost kapljice tekućine objašnjava njezin sferni oblik), a druga je Coulombovo odbijanje između fisijskih fragmenata. Zajedno stvaraju potencijalnu barijeru.

Kao iu slučaju alfa raspada, da bi došlo do spontane fisije jezgre atoma urana, fragmenti moraju prevladati ovu barijeru pomoću kvantnog tuneliranja. Barijera je oko 6 MeV, kao u slučaju alfa raspada, ali vjerojatnost tuneliranja alfa čestice je mnogo veća od one kod puno težeg produkta fisije atoma.

prisilno cijepanje

Mnogo vjerojatnije je inducirana fisija jezgre urana. U tom slučaju, matična jezgra je ozračena neutronima. Ako ga roditelj apsorbira, vežu se, oslobađajući energiju vezanja u obliku energije vibracije koja može premašiti 6 MeV potrebnih za prevladavanje potencijalne barijere.

Tamo gdje je energija dodatnog neutrona nedovoljna za prevladavanje potencijalne barijere, upadni neutron mora imati minimalnu kinetičku energiju da bi mogao izazvati cijepanje atoma. U slučaju 238 U, energija vezanja dodatnih neutrona je kratka oko 1 MeV. To znači da fisiju jezgre urana inducira samo neutron s kinetičkom energijom većom od 1 MeV. S druge strane, izotop 235 U ima jedan nespareni neutron. Kada jezgra apsorbira dodatnu, ona s njom tvori par, a kao rezultat tog sparivanja pojavljuje se dodatna energija vezanja. To je dovoljno da se oslobodi količina energije nužna da jezgra prevlada potencijalnu barijeru, a fisija izotopa dolazi do sudara s bilo kojim neutronom.

beta raspad

Iako reakcija fisije emitira tri ili četiri neutrona, fragmenti još uvijek sadrže više neutrona nego njihove stabilne izobare. To znači da su fragmenti cijepanja općenito nestabilni protiv beta raspada.

Na primjer, kada dođe do fisije urana 238U, stabilna izobara s A = 145 je neodim 145Nd, što znači da se fragment lantana 145La raspada u tri koraka, svaki put emitirajući elektron i antineutrino, dok se ne formira stabilan nuklid. Stabilna izobara s A = 90 je cirkonij 90 Zr, stoga se fragment cijepanja broma 90 Br razgrađuje u pet faza lanca β-raspada.

Ti lanci β-raspada oslobađaju dodatnu energiju, koju gotovo svu nose elektroni i antineutrini.

Nuklearne reakcije: fisija jezgri urana

Izravna emisija neutrona iz nuklida s previše njih da bi se osigurala stabilnost jezgre je malo vjerojatna. Poanta je ovdje da nema Coulombove odbijanja i da površinska energija nastoji zadržati neutron u vezi s roditeljem. Međutim, to se ponekad dogodi. Na primjer, fragment fisije 90 Br u prvoj fazi beta raspada proizvodi kripton-90, koji može biti u pobuđenom stanju s dovoljno energije da prevlada površinsku energiju. U ovom slučaju, emisija neutrona može se dogoditi izravno s stvaranjem kriptona-89. još uvijek nestabilan s obzirom na β raspad dok se ne pretvori u stabilan itrij-89, tako da se kripton-89 raspada u tri koraka.

Fisija jezgri urana: lančana reakcija

Neutrone emitirane u reakciji fisije može apsorbirati druga matična jezgra, koja tada sama prolazi kroz induciranu fisiju. U slučaju urana-238, tri proizvedena neutrona izlaze s energijom manjom od 1 MeV (energija oslobođena tijekom cijepanja jezgre urana - 158 MeV - uglavnom se pretvara u kinetičku energiju fisijskih fragmenata ), pa ne mogu izazvati daljnju fisiju ovog nuklida. Ipak, pri značajnoj koncentraciji rijetkog izotopa 235 U, te slobodne neutrone mogu uhvatiti jezgre 235 U, što doista može uzrokovati fisiju, budući da u ovom slučaju ne postoji energetski prag ispod kojeg se fisija ne inducira.

Ovo je princip lančane reakcije.

Vrste nuklearnih reakcija

Neka je k broj neutrona proizvedenih u uzorku fisijskog materijala u fazi n ovog lanca, podijeljen s brojem neutrona proizvedenih u stupnju n-1. Ovaj broj ovisi o tome koliko se neutrona proizvedenih u stupnju n-1 apsorbira jezgrom, koja može biti prisiljena podijeliti se.

Ako je 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.

Ako je k > 1, tada će lančana reakcija rasti sve dok se ne iskoristi sav fisijski materijal.To se postiže obogaćivanjem prirodne rude kako bi se dobila dovoljno velika koncentracija urana-235. Za sferni uzorak vrijednost k raste s povećanjem vjerojatnosti apsorpcije neutrona, što ovisi o polumjeru kugle. Stoga masa U mora premašiti određenu količinu da bi došlo do fisije jezgri urana (lančana reakcija).

Ako je k = 1, tada se odvija kontrolirana reakcija. Ovo se koristi u nuklearnim reaktorima. Proces se kontrolira distribucijom kadmija ili bora između urana, koji apsorbiraju većinu neutrona (ovi elementi imaju sposobnost hvatanja neutrona). Fisijom jezgre urana automatski se upravlja pomicanjem štapova na način da vrijednost k ostane jednaka jedan.

>> 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 uranove jezgre 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 u formiranju jezgre i, posljedično, manje unutarnja energija novoformirani sustav.

Tijekom nuklearne fisije energija vezanja po nukleonu raste za 1 MeV, a ukupna oslobođena energija mora biti ogromna – oko 200 MeV. Niti jedna druga nuklearna reakcija (koja nije povezana s fisijom) ne oslobađa tako velike energije.

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 proizlaze iz fisije 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, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čips za radoznale jaslice udžbenici osnovni i dodatni pojmovnik 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