Amit maghasadási reakciónak neveznek. Az uránmag hasadása

Osztály

42-43. lecke

Láncreakció uránmagok hasadása. Atomenergia és ökológia. Radioaktivitás. Fél élet.

Nukleáris reakciók

A magreakció kölcsönhatási folyamat atommag másik maggal ill elemi részecske, amelyet a mag összetételének és szerkezetének megváltozása, valamint másodlagos részecskék vagy γ-kvantumok felszabadulásával kísér.

A nukleáris reakciók eredményeként olyan új radioaktív izotópok képződhetnek, amelyek nincsenek a Földön vivo.

Az első nukleáris reakciót E. Rutherford hajtotta végre 1919-ben a nukleáris bomlástermékekben lévő protonok kimutatására irányuló kísérletekben (lásd a 9.5. pontot). Rutherford alfa-részecskékkel bombázta a nitrogénatomokat. Amikor a részecskék összeütköztek, nukleáris reakció lépett fel, amely a következő séma szerint zajlott:

A magreakciók során több természetvédelmi törvények: lendület, energia, szögimpulzus, töltés. A nukleáris reakciókban a klasszikus megőrzési törvények mellett érvényes az úgynevezett megmaradási törvény. barion töltet(vagyis a nukleonok - protonok és neutronok - száma). Számos más, a magfizikára és az elemi részecskefizikára jellemző megmaradási törvény is érvényes.

A magreakciók akkor játszódnak le, ha az atomokat gyors töltésű részecskék (protonok, neutronok, α-részecskék, ionok) bombázzák. Az első ilyen reakciót 1932-ben a gyorsítónál nyert nagy energiájú protonok felhasználásával hajtották végre:

ahol M A és M B a kezdeti szorzatok tömegei, M C és M D a tömegek végtermékek reakciók. A ΔM értéket nevezzük tömeghiba. A nukleáris reakciók lezajlhatnak energia felszabadulásával (Q > 0) vagy energiaelnyeléssel (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Ahhoz, hogy egy nukleáris reakció pozitív energiahozammal rendelkezzen, fajlagos kötési energia a kiindulási termékek magjaiban lévő nukleonoknak kevesebbnek kell lenniük fajlagos energia nukleonok kötései a végtermékek magjaiban. Ez azt jelenti, hogy a ΔM-nek pozitívnak kell lennie.

Az atomenergia felszabadításának két alapvetően eltérő módja van.

1. Nehéz atommagok hasadása. Ellentétben az atommagok radioaktív bomlásával, amelyet α- vagy β-részecskék kibocsátása kísér, a hasadási reakciók olyan folyamatok, amelyek során az instabil mag két nagy, összehasonlítható tömegű fragmentumra oszlik.

1939-ben O. Hahn és F. Strassmann német tudósok felfedezték az uránmagok hasadását. A Fermi által megkezdett kutatást folytatva megállapították, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, a középső rész elemei periodikus rendszer– bárium (Z = 56), kripton (Z = 36) radioaktív izotópjai stb.

Az urán a természetben két izotóp formájában fordul elő: (99,3%) és (0,7%). Ha neutronokkal bombázzák, mindkét izotóp magja két részre szakadhat. Ebben az esetben a hasadási reakció legintenzívebben lassú (termikus) neutronokkal megy végbe, míg az atommagok csak 1 MeV nagyságrendű energiájú gyors neutronokkal lépnek hasadási reakcióba.

Fő érdeke atomenergia Jelenleg mintegy 100 különböző, körülbelül 90-145 tömegszámú izotóp ismeretes, amelyek ennek az atommagnak a hasadásából származnak. Ennek az atommagnak két tipikus hasadási reakciója a következő:

Megjegyzendő, hogy a neutronok által elindított maghasadás eredményeként új neutronok keletkeznek, amelyek más atommagokban hasadási reakciókat okozhatnak. Az urán-235 magok hasadási termékei lehetnek bárium, xenon, stroncium, rubídium stb. egyéb izotópjai is.

Egy uránmag hasadása során felszabaduló mozgási energia óriási - körülbelül 200 MeV. Az atommaghasadás során felszabaduló energia felhasználásával megbecsülhető fajlagos kötési energia nukleonok a sejtmagban. Az A ≈ 240 tömegszámú magokban a nukleonok fajlagos kötési energiája körülbelül 7,6 MeV/nukleon, míg az A = 90-145 tömegszámú atommagokban a fajlagos energia körülbelül 8,5 MeV/nukleon. Ezért az uránmag hasadása során 0,9 MeV/nukleon nagyságrendű energia szabadul fel, vagyis körülbelül 210 MeV uránatomonként. Az 1 g uránban található összes atommag teljes hasadásával ugyanaz az energia szabadul fel, mint 3 tonna szén vagy 2,5 tonna olaj elégetésekor.

Az uránmag hasadási termékei instabilak, mivel jelentős mennyiségű neutront tartalmaznak. Valójában a legnehezebb magok N/Z aránya körülbelül 1,6 (9.6.2. ábra), a 90 és 145 közötti tömegszámú magok esetében ez az arány körülbelül 1,3–1,4. Ezért a töredékmagok egymást követő β - bomlások sorozatán mennek keresztül, melynek eredményeként a magban lévő protonok száma növekszik, a neutronok száma pedig csökken, amíg stabil atommag nem keletkezik.

Az urán-235 atommag hasadása során, amelyet egy neutronnal való ütközés okoz, 2 vagy 3 neutron szabadul fel. Kedvező körülmények között ezek a neutronok más uránmagokat is eltalálhatnak, és azok hasadását idézhetik elő. Ebben a szakaszban már 4-9 neutron jelenik meg, amelyek képesek az uránmagok új bomlását okozni, stb. Az ilyen lavinaszerű folyamatot láncreakciónak nevezik. Fejlesztési séma láncreakcióábrán látható az uránmagok hasadása. 9.8.1.

9.8.1. ábra. A láncreakció kialakulásának sémája.

A láncreakció létrejöttéhez szükséges, hogy az ún neutronszorzótényező nagyobb volt egynél. Más szóval, minden következő generációban több neutronnak kell lennie, mint az előzőben. A szorzótényezőt nemcsak az egyes elemi eseményekben keletkező neutronok száma határozza meg, hanem az is, hogy milyen körülmények között zajlik le a reakció - a neutronok egy része más atommagokban is elnyelhető, vagy elhagyhatja a reakciózónát. Az urán-235 atommagok hasadása során felszabaduló neutronok csak ugyanazon urán atommagjainak hasadását okozhatják, amely a természetes uránnak csak 0,7%-át teszi ki. Ez a koncentráció nem elegendő a láncreakció elindításához. Egy izotóp is képes elnyelni a neutronokat, de nem lép fel láncreakció.

láncreakció az uránban magas tartalom urán-235 csak akkor fejlődhet ki, ha az urán tömege meghaladja az ún kritikus tömeg. Kis urándarabokban a neutronok többsége anélkül, hogy magba ütközne, kirepül. A tiszta urán-235 esetében a kritikus tömeg körülbelül 50 kg. Az urán kritikus tömege sokszorosára csökkenthető az ún moderátorok neutronok. Az a tény, hogy az uránmagok bomlása során keletkező neutronok túl nagy sebességgel rendelkeznek, és a lassú neutronok urán-235 atommagok általi befogásának valószínűsége több százszor nagyobb, mint a gyorsaké. A legjobb neutronmoderátor az nehézvíz D 2 O. A neutronokkal való kölcsönhatás során a közönséges víz maga is nehézvízzé alakul.

Jó moderátor a grafit is, amelynek magja nem nyeli el a neutronokat. A deutériummal vagy szénatommagokkal való rugalmas kölcsönhatás során a neutronok lelassulnak a termikus sebességre.

A neutronmoderátorok és a neutronokat visszaverő speciális berilliumhéj használata lehetővé teszi a kritikus tömeg 250 g-ra történő csökkentését.

Az atombombákban ellenőrizetlen nukleáris láncreakció lép fel, amikor gyors kapcsolat két darab urán-235, amelyek tömege valamivel a kritikusnál kisebb.

A szabályozott maghasadási reakciót fenntartó berendezést ún nukleáris(vagy atom) reaktor. Rendszer nukleáris reaktorábrán látható a lassú neutronokon. 9.8.2.

9.8.2. ábra. Az atomreaktor berendezésének vázlata.

A nukleáris reakció a reaktor zónájában játszódik le, amelyet moderátorral töltenek meg, és uránizotópok dúsított keverékét tartalmazó, magas (legfeljebb 3%) urán-235-tartalmú pálcákkal szúrják át. A magba kadmiumot vagy bórt tartalmazó szabályozó rudakat vezetnek, amelyek intenzíven elnyelik a neutronokat. A rudak bevezetése a magba lehetővé teszi a láncreakció sebességének szabályozását.

A magot szivattyúzott hűtőközeg hűti, amely lehet víz vagy alacsony olvadáspontú fém (például nátrium, amelynek olvadáspontja 98 °C). A gőzfejlesztőben a hűtőfolyadék átadódik hőenergia vizet, gőzzé alakítva magas nyomású. A gőzt egy elektromos generátorhoz csatlakoztatott turbinába küldik. A turbinából a gőz a kondenzátorba jut. A sugárzás szivárgásának elkerülése érdekében az I. hűtőfolyadék és a II. gőzfejlesztő körei zárt ciklusban működnek.

Az atomerőmű turbinája egy hőmotor, amely a termodinamika második főtételének megfelelően meghatározza az erőmű összhatékonyságát. A modern atomerőművek esetében a hatásfok megközelítőleg egyenlő Tehát 1000 MW termeléshez elektromos erő a reaktor hőteljesítménye elérje a 3000 MW-ot. 2000 MW-ot kell elvinnie a kondenzátort hűtő víznek. Ez a természetes víztestek helyi túlmelegedéséhez, majd környezeti problémák megjelenéséhez vezet.

Azonban, a fő probléma az atomerőművekben dolgozók teljes sugárbiztonságának biztosításából és a reaktormagban nagy mennyiségben felhalmozódó radioaktív anyagok véletlenszerű kibocsátásának megakadályozásából áll. Az atomreaktorok fejlesztése során nagy figyelmet fordítanak erre a problémára. Mindazonáltal néhány atomerőműben, különösen a pennsylvaniai atomerőműben (USA, 1979) és a csernobili atomerőműben (1986) bekövetkezett balesetek után az atomenergia biztonságának problémája különösen élessé vált.

A fent leírt lassú neutronon működő atomreaktor mellett nagy gyakorlati érdeklődésre tartanak számot a gyors neutronokon moderátor nélkül működő reaktorok. Az ilyen reaktorokban a nukleáris fűtőanyag legalább 15%-ban izotópot tartalmazó dúsított keverék A gyorsneutronos reaktorok előnye, hogy működésük során a neutronokat elnyelő urán-238 atommagok két egymást követő β - bomlás során plutóniummá alakulnak. atommagok, amelyek ezután nukleáris üzemanyagként használhatók:

Az ilyen reaktorok tenyésztési aránya eléri az 1,5-öt, azaz 1 kg urán-235-höz legfeljebb 1,5 kg plutóniumot kapunk. A hagyományos reaktorok is termelnek plutóniumot, de sokkal kisebb mennyiségben.

Az első atomreaktor 1942-ben épült meg az USA-ban E. Fermi vezetésével. Hazánkban az első reaktor 1946-ban épült IV. Kurcsatov vezetésével.

2. termonukleáris reakciók. A nukleáris energia felszabadításának második módja a fúziós reakciókhoz kapcsolódik. A könnyű atommagok fúziója és az új atommag kialakulása során nagyszámú energia. Ez látható a fajlagos kötési energia A tömegszámtól való függéséből (9.6.1. ábra). A körülbelül 60 tömegszámú magokig a nukleonok fajlagos kötési energiája az A növekedésével növekszik. Ezért bármely A-val rendelkező mag szintézise< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

A könnyű atommagok fúziós reakcióit ún termonukleáris reakciók, mivel csak nagyon magas hőmérsékleten tudnak folyni. Ahhoz, hogy két atommag fúziós reakcióba léphessen, 2,10-15 m nagyságrendű magerők hatástávolságára kell megközelítenie, leküzdve pozitív töltéseik elektromos taszítását. Ehhez az átlagos mozgási energia hőmozgás A molekuláknak meg kell haladniuk a Coulomb-kölcsönhatás potenciális energiáját. Az ehhez szükséges T hőmérséklet kiszámítása 10 8 – 10 9 K nagyságrendű értékhez vezet. Ez egy rendkívül magas hőmérséklet. Ezen a hőmérsékleten az anyag teljesen ionizált állapotban van, amit ún vérplazma.

A termonukleáris reakciók során felszabaduló energia nukleonként többszöröse, mint a maghasadás láncreakciói során felszabaduló fajlagos energia. Így például a deutérium és trícium atommagok fúziós reakciójában

3,5 MeV/nukleon szabadul fel. Ebben a reakcióban összesen 17,6 MeV szabadul fel. Ez az egyik legígéretesebb termonukleáris reakció.

Végrehajtás szabályozott termonukleáris reakciókúj, környezetbarát és gyakorlatilag kimeríthetetlen energiaforrást ad majd az emberiségnek. Az ultramagas hőmérséklet elérése és az egymilliárd fokra hevített plazma korlátozása azonban a legnehezebb tudományos és technikai feladat a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítása felé vezető úton.

A ezt a szakaszt a tudomány és a technológia fejlődése csak ellenőrizetlen fúziós reakció hidrogénbombában. A magfúzióhoz szükséges magas hőmérsékletet itt egy hagyományos urán- vagy plutóniumbomba felrobbantásával érik el.

A termonukleáris reakciók rendkívül fontos szerepet játszanak az univerzum evolúciójában. A Nap és a csillagok sugárzási energiája termonukleáris eredetű.

Radioaktivitás

Az ismert 2500 atommag csaknem 90%-a instabil. Az instabil mag részecskék kibocsátásával spontán átalakul más magokká. Az atommagok ezen tulajdonságát ún radioaktivitás. A nagy atommagok esetében az instabilitás a nukleonok nukleáris erők általi vonzása és a protonok Coulomb-taszítása közötti versengés miatt keletkezik. Nincsenek Z > 83 töltésszámú és A > 209 tömegszámú stabil atommagok, de a lényegesen kisebb Z és A számú atommagok is radioaktívnak bizonyulhatnak, ha az atommag lényegesen több protont tartalmaz, mint neutron, akkor instabilitás lép fel. a Coulomb-kölcsönhatási energia többletével. Azok az atommagok, amelyek a protonok számánál nagyobb neutronfelesleget tartalmaznának, instabilok, mivel a neutron tömege meghaladja a proton tömegét. Az atommag tömegének növekedése energiájának növekedéséhez vezet.

A radioaktivitás jelenségét 1896-ban fedezte fel A. Becquerel francia fizikus, aki felfedezte, hogy az uránsók ismeretlen sugárzást bocsátanak ki, amely áthatolhat a fény számára átlátszatlan akadályokon, és a fényképészeti emulzió elfeketedését okozhatja. Két évvel később M. és P. Curie francia fizikusok felfedezték a tórium radioaktivitását, és két új radioaktív elemet – a polóniumot és a rádiumot.

A következő években sok fizikus, köztük E. Rutherford és tanítványai foglalkoztak a radioaktív sugárzás természetének tanulmányozásával. Azt találták, hogy a radioaktív atommagok háromféle részecskéket bocsáthatnak ki: pozitív és negatív töltésű és semleges. Ezt a három típusú sugárzást α-, β- és γ-sugárzásnak nevezték. ábrán A 9.7.1 mutatja a kísérlet sémáját, amely lehetővé teszi a radioaktív sugárzás összetett összetételének kimutatását. Mágneses térben az α- és β-sugarak ellentétes irányba térnek el, a β-sugarak pedig sokkal jobban. A mágneses térben a γ-sugarak egyáltalán nem térnek el.

Ez a három típusú radioaktív sugárzás nagymértékben különbözik egymástól az anyag atomjainak ionizáló képességében, és ebből következően áthatoló erejében. az α-sugárzásnak van a legkisebb áthatoló ereje. Levegőben normál körülmények között az α-sugarak több centiméteres távolságot tesznek meg. A β-sugarakat sokkal kevésbé nyeli el az anyag. Képesek átjutni egy több milliméter vastag alumíniumrétegen. A γ-sugarak rendelkeznek a legnagyobb áthatoló erővel, képesek áthatolni egy 5-10 cm vastag ólomrétegen.

A 20. század második évtizedében E. Rutherford felfedezése után nukleáris szerkezet atomok, szilárdan megállapították, hogy a radioaktivitás az az atommagok tulajdonsága. Tanulmányok kimutatták, hogy az α-sugarak α-részecskék – héliummagok – áramát, a β-sugarak elektronáramot, a γ-sugarak rövidhullámot jelentenek. elektromágneses sugárzás rendkívül rövid λ hullámhosszal< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa bomlás. Az alfa-bomlás egy olyan atommag spontán átalakulása, amelyben Z protonok és N neutronok vannak, egy másik (leány) atommaggá, amely Z - 2 protonszámot és N - 2 neutronokat tartalmaz. Ebben az esetben egy α-részecske bocsát ki - a hélium atom magja. Ilyen folyamat például a rádium α-bomlása:

A rádium atommagjai által kibocsátott alfa-részecskéket Rutherford használta a nehéz elemek atommagjai általi szórással kapcsolatos kísérletekben. A rádiummagok α-bomlása során kibocsátott α-részecskék sebessége a pálya görbülete mentén mágneses térben mérve megközelítőleg 1,5 10 7 m/s, a megfelelő kinetikus energia pedig körülbelül 7,5 10 -13 J (körülbelül 4,8 MeV). Ez az érték könnyen meghatározható ismert értékek a szülő- és leánymagok, valamint a héliummag tömegei. Bár a kilökődő α-részecske sebessége óriási, még mindig csak 5%-a a fénysebességnek, így a számítás nem relativisztikus kifejezést is használhat a kinetikus energiára.

Tanulmányok kimutatták, hogy egy radioaktív anyag több különálló energiaértékű α-részecskéket bocsáthat ki. Ez azzal magyarázható, hogy az atommagok az atomokhoz hasonlóan különböző gerjesztett állapotban lehetnek. Egy leánymag az α-bomlás során ezen gerjesztett állapotok valamelyikébe kerülhet. Ennek az atommagnak az alapállapotba való átmenete során egy γ-kvantum bocsát ki. A rádium α-bomlásának sémája két kinetikus energiájú α-részecskék kibocsátásával az ábrán látható. 9.7.2.

Így az atommagok α-bomlását sok esetben γ-sugárzás kíséri.

Az α-bomlás elméletében azt feltételezik, hogy az atommagok belsejében két protonból és két neutronból álló csoportok, azaz egy α-részecske alakulhatnak ki. Az anyamag az α-részecskéké potenciális kút, amely korlátozott potenciális akadály. Az atommagban lévő α-részecske energiája nem elegendő ennek a gátnak a leküzdésére (9.7.3. ábra). Egy α-részecske kilökődése az atommagból csak egy kvantummechanikai jelenségnek köszönhető, az ún. alagút hatás. Alapján kvantummechanika, nem nulla a valószínűsége annak, hogy a részecske áthalad a potenciálgát alatt. Az alagút jelenségének valószínűségi jellege van.

Béta bomlás. A béta-bomlás során az atommagból elektron bocsát ki. Az atommagok belsejében elektronok nem létezhetnek (lásd § 9.5), a β-bomlás során keletkeznek, a neutron protonná történő átalakulása következtében. Ez a folyamat nem csak az atommag belsejében, hanem szabad neutronokkal is megtörténhet. Egy szabad neutron átlagos élettartama körülbelül 15 perc. Amikor egy neutron protonra és elektronra bomlik

A mérések kimutatták, hogy ebben a folyamatban nyilvánvalóan megsértik az energiamegmaradás törvényét, mivel a neutron bomlásából származó proton és elektron összenergiája kisebb, mint a neutron energiája. 1931-ben W. Pauli azt javasolta, hogy a neutron bomlása során egy másik nulla tömegű és töltésű részecske szabaduljon fel, amely magával viszi az energia egy részét. Az új részecske neve neutrino(kis neutron). Mivel a neutrínóban nincs töltés és tömeg, ez a részecske nagyon gyengén lép kölcsönhatásba az anyag atomjaival, ezért rendkívül nehéz kísérletben kimutatni. A neutrínók ionizáló képessége olyan kicsi, hogy a levegőben egy ionizációs aktus körülbelül 500 km-re esik. Ezt a részecskét csak 1953-ban fedezték fel. Jelenleg ismert, hogy a neutrínóknak számos fajtája létezik. A neutronbomlás során részecske keletkezik, amelyet ún elektronikus antineutrínó. Szimbólum jelöli Ezért a neutronbomlási reakciót így írjuk

Hasonló folyamat megy végbe az atommagok belsejében is a β-bomlás során. Az egyik nukleáris neutron bomlása következtében létrejövő elektron óriási sebességgel azonnal kilökődik a „szülőházból” (mag), amely a fénysebességtől csak egy százalék töredékével térhet el. Mivel a β-bomlás során felszabaduló energia eloszlása ​​az elektron, a neutrínó és a leánymag között véletlenszerű, a β-elektronok sebessége széles tartományban eltérő lehet.

A β-bomlásban díjszám Z eggyel nő, miközben az A tömegszám változatlan marad. A leánymagról kiderül, hogy az elem egyik izotópjának a magja, amelynek a periódusos rendszerben szereplő sorszáma eggyel nagyobb, mint az eredeti mag sorszáma. Tipikus példa A β-bomlás szolgálhat az urán α-bomlásából származó tórium izotón palládiummá történő átalakulásaként

Gamma-bomlás. Az α- és β-radioaktivitással ellentétben az atommagok γ-radioaktivitása nem kapcsolódik a mag belső szerkezetének változásához, és nem jár vele töltés vagy tömegszám változás. Mind α-, mind β-bomlás esetén a leánymag valamilyen gerjesztett állapotban lehet, és energiafelesleggel rendelkezhet. Az atommag gerjesztett állapotból alapállapotba való átmenete egy vagy több γ-kvantum kibocsátásával jár együtt, amelyek energiája több MeV-ot is elérhet.

A radioaktív bomlás törvénye. A radioaktív anyag bármely mintája nagyszámú radioaktív atomot tartalmaz. Mivel a radioaktív bomlás véletlenszerű és nem függ attól külső körülmények, akkor az el nem bomlott k N(t) számának csökkenésének törvénye jelen pillanat Az atommagok t ideje a radioaktív bomlás folyamatának fontos statisztikai jellemzőjeként szolgálhat.

Hagyja, hogy az el nem bomlott magok száma N(t) változzon ΔN-nel rövid Δt idő alatt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

A λ arányossági együttható az atommag Δt = 1 s idő alatti bomlásának valószínűsége. Ez a képlet azt jelenti, hogy az N(t) függvény változási sebessége egyenesen arányos magával a függvénnyel.

ahol N 0 a radioaktív atommagok kezdeti száma t = 0-nál. A τ = 1 / λ idő alatt az el nem bomlott magok száma e ≈ 2,7-szeresére csökken. A τ értéket nevezzük átlagos élettartama radioaktív mag.

Gyakorlati használatra célszerű a radioaktív bomlás törvényét más formában írni, a 2-es számot használva alapként, nem pedig e-t:

T értékét ún fél élet. A T idő alatt a radioaktív atommagok kezdeti számának fele elbomlik. T és τ értékeit a reláció kapcsolja össze

A felezési idő a fő mennyiség, amely a radioaktív bomlás sebességét jellemzi. Minél rövidebb a felezési idő, annál intenzívebb a bomlás. Így az urán T ≈ 4,5 milliárd év, a rádium T ≈ 1600 év. Ezért a rádium aktivitása sokkal nagyobb, mint az uráné. Vannak radioaktív elemek, amelyek felezési ideje a másodperc töredéke.

Természetes körülmények között nem található meg, és bizmutban végződik. Ez a radioaktív bomlási sorozat a atomreaktorok.

Érdekes alkalmazás A radioaktivitás a régészeti és geológiai leletek kormeghatározásának módszere a radioaktív izotópok koncentrációjával. A leggyakrabban használt módszer a radiokarbonos kormeghatározás. A kozmikus sugarak által kiváltott magreakciók következtében instabil szénizotóp keletkezik a légkörben. Ennek az izotópnak egy kis százaléka a levegőben található a szokásos stabil izotóp mellett.A növények és más szervezetek a levegőből fogyasztják el a szenet, és mindkét izotópot ugyanolyan arányban halmozzák fel, mint a levegőben. A növények elpusztulása után abbahagyják a szénfogyasztást, és a β-bomlás következtében az instabil izotóp fokozatosan nitrogénné alakul, felezési ideje 5730 év. út pontos mérés Az ősi élőlények maradványaiban lévő radioaktív szén relatív koncentrációja meghatározhatja haláluk időpontját.

Mindenféle radioaktív sugárzás (alfa, béta, gamma, neutron), valamint elektromágneses sugárzás ( röntgensugarak) nagyon erős biológiai hatást gyakorolnak az élő szervezetekre, ami az élő sejteket alkotó atomok és molekulák gerjesztési és ionizációs folyamataiból áll. Az ionizáló sugárzás hatására összetett molekulák és sejtszerkezetek pusztulnak el, ami sugárzási károsodáshoz vezet a szervezetben. Ezért, ha bármilyen sugárforrással dolgozik, minden intézkedést meg kell tenni sugárvédelem olyan emberek, akik sugárzásnak lehetnek kitéve.

Az ember azonban otthoni körülmények között ionizáló sugárzásnak lehet kitéve. A radon, egy közömbös, színtelen, radioaktív gáz komoly veszélyt jelenthet az emberi egészségre, amint az az ábrán látható ábrán látható. 9.7.5, a radon a rádium α-bomlásának szorzata, felezési ideje T = 3,82 nap. A rádium kis mennyiségben megtalálható a talajban, kőzetekben és különféle anyagokban épületszerkezetek. A viszonylag rövid élettartam ellenére a radon koncentrációja a rádiummagok újabb bomlásai miatt folyamatosan újratöltődik, így a radon felhalmozódhat a zárt térben. A tüdőbe jutva a radon α-részecskéket bocsát ki, és polóniummá alakul, amely kémiailag nem inert anyag. Ezt követi az uránsorozat radioaktív átalakulásainak láncolata (9.7.5. ábra). Az Amerikai Sugárbiztonsági és Ellenőrzési Bizottság szerint az átlagos ember az ionizáló sugárzás 55%-át kapja radonból, és csak 11%-át egészségügyi szolgáltatások. A kozmikus sugarak hozzájárulása hozzávetőleg 8%. A teljes sugárdózis, amit egy ember élete során kap, sokszorosa maximálisan megengedhető dózis(SDA), amelyet bizonyos szakmákban dolgozó személyek számára hoztak létre, akik további ionizáló sugárzásnak vannak kitéve.

A hasadás során felszabaduló E energia a Z 2 /A növekedésével nő. A Z 2 /A = 17 értéke 89 Y (itrium) esetén. Azok. A hasadás energetikailag kedvező minden, az ittriumnál nehezebb mag számára. Miért ellenáll a legtöbb atommagnak a spontán hasadásnak? A kérdés megválaszolásához figyelembe kell venni a felosztás mechanizmusát.

A hasadás során a mag alakja megváltozik. A sejtmag egymás után a következő szakaszokon halad át (7.1. ábra): golyó, ellipszoid, súlyzó, két körte alakú töredék, két gömb alakú töredék. Hogyan változik az atommag potenciális energiája a hasadás különböző szakaszaiban?
Kezdeti mag nagyítással r egyre megnyúltabb forradalomellipszoid formáját ölti. Ebben az esetben az atommag alakjának alakulása miatt potenciális energiájának változását a felületi és a Coulomb-energiák összegének változása határozza meg E p + E k Ilyenkor a felületi energia nő, mivel a mag felülete megnő. A Coulomb-energia csökken a protonok közötti átlagos távolság növekedésével. Ha enyhe, kis paraméterrel jellemezhető deformáció esetén a kezdeti mag tengelyirányban szimmetrikus ellipszoid alakot vesz fel, akkor az E" p felületi energia és az E" k Coulomb-energia az alakváltozási paraméter függvényében a következőképpen változik:

Arányokban (7,4–7,5) E n és E k a kezdeti gömbszimmetrikus mag felületi és Coulomb-energiája.
A nehéz atommagok tartományában 2E n > Ek, a felületi és a Coulomb-energiák összege pedig növekszik. A (7.4) és (7.5)-ből az következik, hogy kis alakváltozásoknál a felületi energia növekedése megakadályozza az atommag további alakváltozását, és ennek következtében a hasadást.
A (7.5) reláció kis törzsekre érvényes. Ha a deformáció olyan nagy, hogy az atommag súlyzó formát ölt, akkor a felületi és a Coulomb-erők hajlamosak szétválasztani az atommagot, és gömb alakúvá teszik a töredékeket. Így az atommag deformációjának fokozatos növekedésével potenciális energiája maximumon halad át. Az atommag felületi és Coulomb-energiáinak görbéje r függvényében az ábrán látható. 7.2.

A potenciálgát jelenléte megakadályozza a pillanatnyi spontán maghasadást. Ahhoz, hogy az atommag kettéhasadhasson, olyan Q energiát kell adni neki, amely meghaladja a H hasadási gát magasságát. A hasadómag E + H (például arany) maximális potenciális energiája két azonos töredékre ≈ 173 MeV , a hasadás során felszabaduló E energia pedig 132 MeV . Így az aranymag hasadása során egy körülbelül 40 MeV magas potenciálgátat kell leküzdeni.
Minél nagyobb a H hasadási gát magassága, annál kisebb a Coulomb és a felületi energiák E és /E p aránya a kezdeti magban. Ez az arány pedig a Z 2 /A (7,3) osztási paraméter növekedésével nő. Minél nehezebb az atommag, annál kisebb a H hasadási gát magassága, mivel a hasadási paraméter, feltételezve, hogy Z arányos A-val, a tömegszám növekedésével növekszik:

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

(7.6)

Ezért a nehezebb magokat általában kevesebb energiával kell ellátni ahhoz, hogy maghasadást okozzanak.
A hasadási gát magassága 2E p – Ec = 0 (7,5) értéknél eltűnik. Ebben az esetben

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

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

A cseppmodell szerint tehát a Z 2 /A > 49 méretű magok nem létezhetnek a természetben, hiszen spontán módon, 10-22 s nagyságrendű magidőben, szinte azonnal két részre kell hasadniuk. A H potenciálgát alakjának és magasságának, valamint a hasadási energiának a Z 2 /A paraméter értékétől való függőségeit a 1-1. 7.3.

Rizs. 7.3. A potenciálgát alakjának és magasságának sugárirányú függése, valamint az E hasadási energia a Z 2 /A paraméter különböző értékeinél. Az E p + E k értéke a függőleges tengelyen van ábrázolva.

Spontán maghasadás Z 2 /A-val< 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 év 232 Th esetén 0,3 s 260 Rf esetén.
Kényszeres maghasadás Z 2 /A-val< 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.
A neutron befogása során kialakuló E* összetett mag gerjesztési energiájának minimális értéke megegyezik a neutron kötési energiájával ebben az atommagban ε n . A 7.1. táblázat összehasonlítja a H gát magasságát és a neutronkötési energiát ε n a neutronbefogás után keletkezett Th, U, Pu izotópokra. A neutron kötési energiája az atommagban lévő neutronok számától függ. A páros neutron kötési energiája a páros neutron kötési energiája miatt nagyobb, mint a páratlan neutroné.

7.1. táblázat

A hasadási gát magassága H, neutronkötési energia ε n

Izotóp	A hasadási gát magassága H, MeV	Izotóp	Neutronkötési energia 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

jellemző tulajdonság A hasadás az, hogy a töredékek általában eltérő tömegűek. A legvalószínűbb, 235 U-os hasadás esetén a töredék tömegaránya átlagosan ~1,5. A 235 U méretű hasadási töredékek termikus neutronok szerinti tömegeloszlását a ábra mutatja. 7.4. A legvalószínűbb hasadáshoz egy nehéz töredék tömegszáma 139, a könnyűé - 95. A hasadási termékek között vannak A = 72 - 161 és Z = 30 - 65 darabok. A két töredékre való hasadás valószínűsége egyenlő tömeg nem egyenlő nullával. 235 U termikus neutronok hasadásánál a szimmetrikus hasadás valószínűsége hozzávetőleg három nagyságrenddel kisebb, mint a legvalószínűbb A = 139 és 95 darabokra való hasadás esetén.
Az aszimmetrikus hasadást a mag héjszerkezete magyarázza. Az atommag hajlamos oly módon hasadni, hogy az egyes fragmentumok nukleonjainak fő része a legstabilabb mágikus magot alkotja.
A neutronok számának és a protonok számának aránya az atommagban 235 U N/Z = 1,55, míg stabil izotópok, amelyek tömegszáma közel van a töredékek tömegszámához, ez az arány 1,25 − 1,45. Következésképpen a hasadási töredékekről kiderül, hogy erősen túlterheltek neutronokkal, ezért
β - radioaktív. Ezért a hasadási töredékek egymást követő β-bomlásokat tapasztalnak, és az elsődleges fragmentum töltése 4-6 egységgel változhat. Az alábbiakban a 97 Kr radioaktív bomlásának jellegzetes lánca látható, amely a 235 U hasadása során keletkezett egyik töredék:

A fragmentumok gerjesztése, amelyet a protonok és neutronok számának megsértése okoz, ami a stabil atommagokra jellemző, szintén megszűnik a gyors hasadási neutronok kibocsátása miatt. Ezeket a neutronokat mozgó töredékek bocsátják ki ~ 10-14 másodpercnél rövidebb idő alatt. Átlagosan 2–3 azonnali neutron bocsát ki minden hasadási esemény során. Energiaspektrumuk folytonos, maximum 1 MeV körüli. Egy gyors neutron átlagos energiája közel 2 MeV. Egynél több neutron kibocsátása minden egyes hasadási esemény során lehetővé teszi, hogy maghasadási láncreakcióval energiát nyerjenek.
A legvalószínűbb 235 U termikus neutronok hasadása során egy könnyű töredék (A = 95) ≈ 100 MeV, a nehéz fragmentum (A = 139) pedig körülbelül 67 MeV kinetikus energiára tesz szert. Így a töredékek teljes kinetikus energiája ≈ 167 MeV. A teljes hasadási energia ebben az esetben 200 MeV. Így a fennmaradó energia (33 MeV) eloszlik a többi hasadási termék között (β neutronjai, elektronjai és antineutrínói - a töredékek bomlása, a töredékek γ-sugárzása és bomlástermékeik). A 235 U termikus neutronok hasadása során a különböző termékek közötti hasadási energia megoszlását a 7.2. táblázat tartalmazza.

7.2. táblázat

A hasadási energia eloszlása 235 U termikus neutronok

A maghasadási termékek (NF-ek) 36 elem (a cinktől a gadolíniumig) több mint 200 radioaktív izotópjának összetett keveréke. A tevékenység nagy részét rövid élettartamú radionuklidok teszik ki. Így 7, 49 és 343 nappal a robbanás után a PND-k aktivitása 10, 100, illetve 1000-szeresére csökken a robbanás utáni egy órával mért aktivitáshoz képest. A biológiailag legjelentősebb radionuklidok hozamát a 7.3. táblázat tartalmazza. A PND mellett radioaktív szennyezést okoznak az indukált aktivitású radionuklidok (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co stb.), valamint az urán és a plutónium osztatlan része. A termonukleáris robbanásokban különösen nagy szerepe van az indukált aktivitásnak.

7.3. táblázat

Egyes hasadási termékek kibocsátása nukleáris robbanás során

Radionuklid	Fél élet	Kimenet osztásonként, %	1 Mt-ra jutó tevékenység, 10 15 Bq
89Sr	50,5 nap	2.56	590
90Sr	29,12 éves	3.5	3.9
95 Zr	65 nap	5.07	920
103 Ru	41 nap	5.2	1500
106 Ru	365 nap	2.44	78
131 I	8,05 nap	2.9	4200
136Cs	13,2 nap	0.036	32
137Cs	30 év	5.57	5.9
140 Ba	12,8 nap	5.18	4700
141Cs	32,5 nap	4.58	1600
144Cs	288 nap	4.69	190
3H	12,3 éves	0.01	2,6 10 -2

A légkörben végrehajtott nukleáris robbanások során a csapadék jelentős része (földi robbanásoknál akár 50%-a) a tesztterület közelébe hullik. A radioaktív anyagok egy része a légkör alsó részében marad vissza, és a szél hatására nagy távolságra mozog, megközelítőleg ugyanazon a szélességi körön maradva. Körülbelül egy hónapig a levegőben tartózkodva a radioaktív anyagok e mozgás során fokozatosan a Földre hullanak. A radionuklidok nagy része a sztratoszférába kerül (10÷15 km magasságig), ahol globálisan szétszóródnak és nagyrészt lebomlanak.
Az atomreaktorok tervezésének különböző elemei évtizedek óta nagy aktivitást mutatnak (7.4. táblázat)

7.4. táblázat

A reaktorból három éves működés után eltávolított fűtőelemekben lévő fő hasadási termékek fajlagos aktivitási értéke (Bq/t urán)

Radionuklid	0	1 nap	120 nap	1 év		10 év
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
95 Nb	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
140 la	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 Ce	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 óra	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 óra	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

Az uránmagok neutronos bombázásával történő hasadását Otto Hahn és Fritz Strassmann német tudósok fedezték fel 1939-ben.

Otto Hahn (1879-1968)
Német fizikus, úttörő tudós a radiokémia területén. Felfedezték az urán hasadását, számos radioaktív elemet

Fritz Strassmann (1902-1980)
német fizikus és kémikus. A munkák a magkémiához, az atommaghasadáshoz kapcsolódnak. Kémiai bizonyítékot adott a hasadási folyamatra

Nézzük meg ennek a jelenségnek a mechanizmusát. A 162. ábra a hagyományosan egy urán atommagot ábrázolja. Egy plusz neutron elnyelése után az atommag gerjesztődik és deformálódik, és megnyúlt alakot kap (162. ábra, b).

Rizs. 162. Az uránmag hasadási folyamata a beleesett neutron hatására

Ön már tudja, hogy az atommagban kétféle erő hat: a protonok közötti elektrosztatikus taszító erők, amelyek hajlamosak az atommag törésére, és a magvonzó erők az összes nukleon között, amelyeknek köszönhetően az atommag nem bomlik le. De a nukleáris erők rövid hatótávolságúak, ezért egy megnyúlt magban már nem tudják megtartani az atommag egymástól nagyon távol eső részeit. Az elektrosztatikus taszító erők hatására az atommag két részre szakad (162. ábra, c), amelyek nagy sebességgel szóródnak szét különböző irányokba és 2-3 neutront bocsátanak ki.

Kiderült, hogy az atommag belső energiájának egy része a repülő töredékek és részecskék kinetikus energiájává alakul. A töredékek a környezetben gyorsan lelassulnak, aminek következtében mozgási energiájuk a közeg belső energiájává alakul (azaz az alkotó részecskéi kölcsönhatási és hőmozgási energiájává).

Nagyszámú uránmag egyidejű hasadásával belső energia az uránt körülvevő környezet és ennek megfelelően annak hőmérséklete érezhetően megemelkedik (azaz a környezet felmelegszik).

Így az uránmagok hasadási reakciója az energia felszabadulásával megy végbe környezet.

Az atommagokban rejlő energia kolosszális. Például az 1 g uránban lévő összes atommag teljes hasadása esetén ugyanannyi energia szabadulna fel, mint amennyi 2,5 tonna olaj elégetésekor felszabadul. Az atommagok belső energiájának elektromos energiává alakítására az atomerőművek az ún maghasadási láncreakciók.

Tekintsük az uránizotóp maghasadási láncreakciójának mechanizmusát. Az uránatom magja (163. ábra) egy neutron befogása következtében két részre oszlott, miközben három neutront bocsátott ki. E neutronok közül kettő további két atommag hasadási reakcióját váltotta ki, így négy neutron keletkezett. Ezek pedig négy atommag hasadását okozták, ami után kilenc neutron keletkezett stb.

Láncreakció lehetséges abból adódóan, hogy az egyes magok hasadása során 2-3 neutron képződik, amelyek más atommagok hasadásában is részt vehetnek.

A 163. ábra egy láncreakció diagramot mutat, amelyben teljes szám Az urándarabban lévő szabad neutronok mennyisége idővel lavinaszerűen növekszik. Ennek megfelelően meredeken növekszik a maghasadások száma és az egységnyi idő alatt felszabaduló energia. Ezért egy ilyen reakció robbanásveszélyes (atombombában játszódik le).

Rizs. 163. Uránmagok hasadásának láncreakciója

Egy másik lehetőség is lehetséges, amelyben a szabad neutronok száma idővel csökken. Ebben az esetben a láncreakció leáll. Ezért egy ilyen reakciót sem lehet villamosenergia előállítására használni.

Békés célokra csak olyan láncreakció energiáját lehet felhasználni, amelyben a neutronok száma nem változik az idő múlásával.

Hogyan biztosítható, hogy a neutronok száma állandóan állandó maradjon? A probléma megoldásához tudnia kell, hogy milyen tényezők befolyásolják a szabad neutronok számának növekedését és csökkenését egy olyan urándarabban, amelyben láncreakció játszódik le.

Az egyik ilyen tényező az urán tömege. Az a tény, hogy nem minden maghasadás során kibocsátott neutron okozza más atommagok hasadását (lásd 163. ábra). Ha egy darab urán tömege (és ennek megfelelően a mérete) túl kicsi, akkor sok neutron kirepül belőle, és nincs ideje, hogy útközben találkozzon az atommaggal, ennek hasadását okozza, és ezáltal egy új generációt generál. a reakció folytatásához szükséges neutronok. Ebben az esetben a láncreakció leáll. Annak érdekében, hogy a reakció ne álljon le, meg kell növelni az urán tömegét bizonyos értéket hívott kritikai.

Miért válik lehetségessé a láncreakció a tömeg növekedésével? Minél nagyobb egy darab tömege, annál nagyobbak a méretei, és annál hosszabb az út, amin a neutronok haladnak benne. Ebben az esetben megnő annak a valószínűsége, hogy a neutronok találkoznak az atommaggal. Ennek megfelelően nő a maghasadások és a kibocsátott neutronok száma.

Az urán kritikus tömegénél a maghasadás során keletkező neutronok száma egyenlő lesz az elvesztett (azaz a magok által hasadás nélkül befogott és a darabból kiszabaduló) neutronok számával.

Így összlétszámuk változatlan marad. Ebben az esetben láncreakció léphet fel hosszú idő, megállás nélkül és anélkül, hogy robbanékony karaktert szerezne.

• Az urán azon legkisebb tömegét, amelynél láncreakció lehetséges, kritikus tömegnek nevezzük.

Ha az urán tömege meghaladja a kritikus értéket, akkor a szabad neutronok számának meredek növekedése következtében a láncreakció robbanáshoz vezet, ha pedig kisebb a kritikusnál, akkor a reakció nem megy végbe. szabad neutronok hiánya.

A neutronok veszteségét (amelyek anélkül repülnek ki az uránból, hogy reakcióba lépnek az atommagokkal) nemcsak az urán tömegének növelésével lehet csökkenteni, hanem speciális fényvisszaverő héj használatával is. Ehhez egy urándarabot helyeznek a neutronokat jól visszaverő anyagból (például berilliumból) készült héjba. Erről a héjról visszatükrözve a neutronok visszatérnek az uránhoz, és részt vehetnek az atommaghasadásban.

Számos egyéb tényező is függ a láncreakció lehetőségétől. Például, ha egy darab urán túl sok más kémiai elem szennyeződést tartalmaz, akkor azok elnyelik a neutronok nagy részét, és a reakció leáll.

Az úgynevezett neutronmoderátor jelenléte az uránban szintén befolyásolja a reakció lefolyását. Az a tény, hogy az urán-235 atommagjai nagy valószínűséggel hasadnak lassú neutronok hatására. Az atommaghasadás gyors neutronokat termel. Ha a gyors neutronokat lelassítják, akkor a legtöbbjüket az urán-235 atommagok fogják be, majd ezek az atommagok hasadnak. Moderátorként olyan anyagokat használnak, mint a grafit, víz, nehézvíz (amely magában foglalja a deutériumot, a hidrogén 2-es tömegszámú izotópját) és néhány más anyagot. Ezek az anyagok csak lelassítják a neutronokat, szinte anélkül, hogy elnyelnék azokat.

Így a láncreakció lehetőségét az urán tömege, a benne lévő szennyeződések mennyisége, a héj és a moderátor jelenléte, valamint néhány egyéb tényező határozza meg.

Egy gömb alakú urán-235 darab kritikus tömege körülbelül 50 kg. Ráadásul a sugara csak 9 cm, mivel az urán sűrűsége nagyon nagy.

Moderátor és fényvisszaverő héj használatával, valamint a szennyeződések mennyiségének csökkentésével az urán kritikus tömege 0,8 kg-ra csökkenthető.

Kérdések

1. Miért kezdődhet meg a maghasadás csak akkor, ha az elnyelt neutron hatására deformálódik?
2. Mi keletkezik az atommaghasadás eredményeként?
3. Milyen energiában halad át az atommag belső energiájának egy része a hasadás során; az uránmag töredékeinek mozgási energiája lassulásuk során a környezetben?
4. Hogyan zajlik le az urán atommagok hasadási reakciója - energia kibocsátásával a környezetbe, vagy fordítva, az energia elnyelésével?
5. Ismertesse a láncreakció mechanizmusát a 163. ábra segítségével!
6. Mekkora az urán kritikus tömege?
7. Előfordulhat-e láncreakció, ha az urán tömege kisebb, mint a kritikus? kritikusabb? Miért?

>> uránhasadás

107. § AZ URÁNMAG HASZADÁSA

Csak egyes nehéz elemek magja osztható részekre. Az atommagok hasadása során két vagy három neutron és -sugár bocsát ki. Ugyanakkor sok energia szabadul fel.

Az uránhasadás felfedezése. Az uránmagok hasadását 1938-ban fedezték fel német tudósok, O. Hahn és F. Strassmann. Megállapították, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, a periódusos rendszer középső részének elemei keletkeznek: bárium, kripton stb. Ennek a ténynek a helyes értelmezése azonban éppen a neutront befogó uránmag hasadásaként adódott a 1939 elején O. Frisch angol fizikus és L. Meitner osztrák fizikus.

A neutron befogása tönkreteszi az atommag stabilitását. A mag izgatottá válik és instabillá válik, ami töredékekre való felosztásához vezet. Az atommaghasadás azért lehetséges, mert a nehéz mag nyugalmi tömege nagyobb, mint a hasadás során keletkező töredékek nyugalmi tömegének összege. Ezért a hasadást kísérő nyugalmi tömeg csökkenésével egyenértékű energia szabadul fel.

A nehéz atommagok hasadásának lehetősége a fajlagos kötési energia A tömegszámtól való függésének grafikonjával is magyarázható (lásd 13.11. ábra). A periódusos rendszerben elfoglalt elemek atommagjainak fajlagos kötési energiája utolsó helyek(A 200), körülbelül 1 MeV-tal kevesebb, mint a periódusos rendszer közepén elhelyezkedő elemek magjában a fajlagos kötési energia (A 100). Ezért a periódusos rendszer középső részében a nehéz atommagok elemmagokká történő hasadási folyamata energetikailag kedvező. A hasadás után a rendszer minimális belső energiájú állapotba kerül. Hiszen minél nagyobb az atommag kötési energiája, annál nagyobb energiát kell felszabadulni az atommag keletkezésekor, következésképpen annál kisebb az újonnan kialakult rendszer belső energiája.

A maghasadás során a nukleononkénti kötési energia 1 MeV-tal növekszik, és a teljes felszabaduló energiának hatalmasnak kell lennie - körülbelül 200 MeV-nak. Semmi más alatt nukleáris reakció(nem kapcsolódik a hasadáshoz) ilyen nagy energiák nem szabadulnak fel.

Az uránmag hasadása során felszabaduló energia közvetlen mérése megerősítette a fenti megfontolásokat és 200 MeV értéket adtak. Ráadásul ennek az energiának a nagy része (168 MeV) a töredékek mozgási energiájára esik. A 13.13. ábrán a hasadó urándarabkák nyomai láthatók egy felhőkamrában.

A maghasadás során felszabaduló energia inkább elektrosztatikus, mint mag eredetű. A töredékek nagy kinetikus energiája a Coulomb taszítás miatt keletkezik.

maghasadás mechanizmusa. A maghasadás folyamata az atommag cseppmodellje alapján magyarázható. E modell szerint egy csomó nukleon egy töltött folyadék cseppjére hasonlít (13.14. ábra, a). A nukleonok közötti nukleáris erők rövid hatótávolságúak, mint a folyékony molekulák között ható erők. A protonok közötti erős elektrosztatikus taszító erők mellett, amelyek hajlamosak szétszakítani az atommagot, továbbra is nagy nukleáris vonzási erők lépnek fel. Ezek az erők megakadályozzák az atommag szétesését.

Az urán-235 atommag gömb alakú. Miután elnyelt egy plusz neutront, gerjesztődik és deformálódni kezd, és megnyúlt alakot vesz fel (13.14. ábra, b). A mag addig nyúlik, amíg a megnyúlt mag felei között fellépő taszító erők kezdenek érvényesülni az isthmusban ható vonzó erők felett (13.14. ábra, c). Ezt követően két részre tépjük (13.14. ábra, d).

A Coulomb taszító erők hatására ezek a töredékek a fénysebesség 1/30-ának megfelelő sebességgel repülnek szét.

Neutronkibocsátás a hasadás során. A maghasadás alapvető ténye két vagy három neutron kibocsátása a maghasadás során. Ez lehetővé tette gyakorlati használat intranukleáris energia.

A következő megfontolások alapján érthető, hogy miért bocsátanak ki szabad neutronokat. Ismeretes, hogy a stabil atommagokban a neutronok számának és a protonok számának aránya az atomszám növekedésével növekszik. Ezért a hasadás során keletkező töredékekben a neutronok relatív száma nagyobbnak bizonyul, mint a periódusos rendszer közepén található atommagok esetében megengedett. Ennek eredményeként a hasadási folyamat során több neutron szabadul fel. Az energiájuk az különféle jelentések- több millió elektronvolttól egészen kicsi, nullához közeliig.

A hasadás általában töredékekre történik, amelyek tömege körülbelül 1,5-szeres. Ezek a töredékek erősen radioaktívak, mivel túl sok neutront tartalmaznak. Egy sor egymást követő bomlás eredményeként végül stabil izotópokat kapunk.

Végezetül megjegyezzük, hogy az uránmagok spontán hasadása is előfordul. G. N. Flerov és K. A. Petrzhak szovjet fizikusok fedezték fel 1940-ben. A spontán hasadás felezési ideje 10 16 év. Ez kétmilliószor hosszabb, mint az uránbomlás felezési ideje.

A maghasadási reakciót energiafelszabadulás kíséri.

Az óra tartalma óra összefoglalója támogatási keret óra bemutató gyorsító módszerek interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önvizsgálat műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések a tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek grafika, táblázatok, sémák humor, anekdoták, viccek, képregények példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek chipek érdeklődő csaló lapok tankönyvek alapvető és kiegészítő kifejezések szószedete egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben az innováció elemei a leckében az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckék naptári terv egy évre iránymutatásokat vitaprogramok Integrált leckék

1934-ben E. Fermi úgy döntött, hogy 238 U neutronokkal történő besugárzásával transzurán elemeket állít elő. E. Fermi ötlete az volt, hogy a 239 U izotóp β - bomlása következtében kémiai elem a Z = 93 rendszámmal. A 93. elem keletkezését azonban nem sikerült azonosítani. Ehelyett a radioaktív elemek O. Hahn és F. Strassmann által végzett radiokémiai elemzése során kimutatták, hogy az urán neutronos besugárzásának egyik terméke a bárium (Z = 56) - egy közepes atomtömegű kémiai elem. , míg a Fermi-elmélet feltételezése szerint transzurán elemeket kellett volna előállítani.
L. Meitner és O. Frisch azt javasolta, hogy egy neutron uránmag általi befogása következtében az összetett mag két részre bomlik.

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Az uránhasadás folyamatát másodlagos neutronok (x > 1) megjelenése kíséri, amelyek más uránmagok hasadását idézhetik elő, ami megnyílik a hasadási láncreakció bekövetkezésének lehetősége - egy neutron elágazó láncot eredményezhet az uránmagok hasadásáról. Ebben az esetben az elválasztott magok számának exponenciálisan kell növekednie. N. Bohr és J. Wheeler kiszámította a 235 U izotóp által egy neutron befogása következtében létrejövő 236 U atommag felhasadásához szükséges kritikus energiát. Ez az érték 6,2 MeV, ami kisebb, mint a 235 U termikus neutron befogása során keletkező 236 U izotóp gerjesztési energiája. Ezért termikus neutronok befogása esetén 235 U hasadási láncreakció lehetséges. A közös izotóp 238 U, a kritikus energia 5,9 MeV, míg termikus neutron befogása esetén a kapott 239 U atommag gerjesztési energiája mindössze 5,2 MeV. Ezért a természetben leggyakrabban előforduló 238 U izotóp hasadási láncreakciója termikus neutronok hatására lehetetlen. Egy hasadási esemény során ≈ 200 MeV energia szabadul fel (összehasonlításképpen: kémiai reakciókégés során a reakció egyik lépésében ≈ 10 eV energia szabadul fel). A hasadási láncreakció feltételeinek megteremtésének lehetősége lehetőséget teremtett arra, hogy a láncreakció energiáját atomreaktorok és atomfegyverek létrehozására használják fel. Az első atomreaktort E. Fermi építette az USA-ban 1942-ben. A Szovjetunióban I. Kurcsatov vezetésével 1946-ban indították be az első atomreaktort. 1954-ben Obnyinszkban megkezdte működését a világ első atomerőműve. Jelenleg a világ 30 országában mintegy 440 atomreaktorban állítanak elő elektromos energiát.
1940-ben G. Flerov és K. Petrzhak felfedezte az urán spontán hasadását. A következő ábrák a kísérlet bonyolultságáról tanúskodnak. A 238 U izotóp részleges felezési ideje a spontán hasadáshoz képest 10 16 – 10 17 év, míg a 238 U izotóp bomlási ideje 4,5∙10 9 év. A 238 U izotóp fő bomlási csatornája az α-bomlás. A 238 U izotóp spontán hasadásának megfigyeléséhez egy hasadási eseményt kellett regisztrálni 10 7 –10 8 α-bomlási esemény hátterében.
A spontán hasadás valószínűségét elsősorban a hasadási gát permeabilitása határozza meg. A spontán hasadás valószínűsége az atommag töltésének növekedésével nő, hiszen. ez növeli a Z 2 /A osztási paramétert. Z izotópokban< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, a szimmetrikus hasadás dominál az azonos tömegű töredékek képződésével. Az atommag töltésének növekedésével a spontán hasadás aránya növekszik az α-bomláshoz képest.

Izotóp	Fél élet	a bomlás csatornái
235 U	7,04 10 8 év	α (100%), SF (7 10-9%)
238 U	4,47 10 9 év	α (100%), SF (5,5 10-5%)
240 Pu	6,56 10 3 év	α (100%), SF (5,7 10-6%)
242 Pu	3,75 10 5 év	α (100%), SF (5,5 10-4%)
246 cm	4,76 10 3 év	α (99,97%), SF (0,03%)
252 vö	2,64 éves	α (96,91%), SF (3,09%)
254 vö	60,5 éves	α (0,31%), SF (99,69%)
256 vö	12,3 éves	α (7,04 10 -8%), SF (100%)

Nukleáris maghasadás. Sztori

1934- Az uránt termikus neutronokkal besugárzó Fermi E. a reakciótermékek között radioaktív atommagokat talált, amelyek jellegét nem sikerült megállapítani.
L. Szilárd a nukleáris láncreakció ötletét vetette fel.

1939− O. Hahn és F. Strassmann báriumot fedezett fel a reakciótermékek között.
L. Meitner és O. Frisch először jelentette be, hogy neutronok hatására az urán két, tömegében összehasonlítható darabra hasadt.
N. Bohr és J. Wheeler a maghasadás kvantitatív értelmezését adta a hasadási paraméter bevezetésével.
Ya. Frenkel kidolgozta a lassú neutronok általi maghasadás cseppelméletét.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton egy maghasadási láncreakció lehetőségét támasztották alá az uránban.

1940− G. Flerov és K. Petrzhak felfedezték az U uránmagok spontán hasadásának jelenségét.

1942− E. Fermi szabályozott hasadási láncreakciót hajtott végre az első atomreaktorban.

1945− Az első atomfegyver-teszt (Nevada, USA). Atombombákat dobtak le Hirosimára (augusztus 6-án) és Nagaszakira (augusztus 9-én).

1946− I.V. vezetésével. Beindították Európa első reaktorát, a Kurchatovot.

1954− Beindították a világ első atomerőművét (Obninszk, Szovjetunió).

Nukleáris maghasadás.1934 óta E. Fermi neutronokat kezdett használni atomok bombázására. Azóta sok százra nőtt a mesterséges transzformációval nyert stabil vagy radioaktív magok száma, a periódusos rendszer szinte minden helye megtelt izotópokkal.
Az összes ilyen magreakció során keletkező atomok a periódusos rendszerben ugyanazt a helyet foglalták el, mint a bombázott atom, vagy a szomszédos helyeket. Ezért Hahn és Strassmann 1938-as bizonyítéka arra a tényre, hogy amikor a neutronok bombázzák a periódusos rendszer utolsó elemét−uránium−olyan elemekre bomlik, amelyek a periódusos rendszer középső részeiben találhatók. Itt lép fel különböző fajták hanyatlás. A keletkező atomok többnyire instabilak, és azonnal tovább bomlanak; egyesek felezési idejét másodpercben mérik, így Gan-nak jelentkeznie kellett elemzési módszer Curie-vel, hogy meghosszabbítsa ezt a gyors folyamatot. Fontos megjegyezni, hogy az uránt megelőző elemek, a protaktinium és a tórium is hasonló bomlást mutatnak a neutronok hatására, bár a bomlás megkezdéséhez nagyobb neutronenergia szükséges, mint az urán esetében. Ezzel együtt 1940-ben G. N. Flerov és K. A. Petrzhak az uránmag spontán hasadását fedezte fel az addig ismert leghosszabb felezési idővel: kb.· 10 15 év; ez a tény a folyamat során felszabaduló neutronok miatt válik világossá. Így meg lehetett érteni, hogy a „természetes” periodikus rendszer miért végződik a három megnevezett elemmel. A transzurán elemek ma már ismertek, de annyira instabilok, hogy gyorsan lebomlanak.
Az urán neutronok segítségével történő hasadása ma már lehetővé teszi az atomenergia felhasználását, amit már sokan "Jules Verne álmaként" képzeltek el.

M. Laue, A fizika története

1939 O. Hahn és F. Strassmann uránsókat termikus neutronokkal besugározva felfedezték a reakciótermékek között a báriumot (Z = 56)

Gunn Ottó (1879 – 1968)

Az atommaghasadás az atommag két (ritkán három) hasonló tömegű magra hasadása, amelyeket hasadási töredékeknek nevezünk. A hasadás során más részecskék is keletkeznek - neutronok, elektronok, α-részecskék. A hasadás következtében ~200 MeV energia szabadul fel. A hasadás lehet spontán vagy kényszerű más részecskék, leggyakrabban neutronok hatására.
A hasadás jellegzetes vonása, hogy a hasadási töredékek tömege általában jelentősen eltér egymástól, vagyis az aszimmetrikus hasadás dominál. Így a 236 U uránizotóp legvalószínűbb hasadása esetén a töredék tömegaránya 1,46. A nehéz töredék tömegszáma 139 (xenon), a könnyű töredék tömegszáma 95 (stroncium). Két azonnali neutron kibocsátását figyelembe véve a vizsgált hasadási reakció alakja

Kémiai Nobel-díj
1944 – O. Gan.
Az uránmagok neutronok általi hasadási reakciójának felfedezéséhez.

Hasadási szilánkok

A könnyű és nehéz töredékcsoportok átlagos tömegének függősége a hasadómag tömegétől.

Az atommaghasadás felfedezése. 1939

Svédországba jöttem, ahol Lise Meitner a magánytól szenvedett, és odaadó unokaöccsként úgy döntöttem, hogy meglátogatom karácsonykor. A Göteborg melletti Kungälv kis szállodában lakott. Elkaptam a reggelinél. Elgondolkodott a levélen, amit éppen Hantől kapott. Nagyon szkeptikus voltam annak a levélnek a tartalmával kapcsolatban, amely az urán neutronokkal történő besugárzásával bárium keletkezéséről számolt be. Ez a lehetőség azonban vonzotta. Sétáltunk a hóban, ő ment, én síeltem (azt mondta, hogy így is megteheti anélkül, hogy lemaradna rólam, és ezt be is bizonyította). A séta végére már megfogalmazhattunk néhány következtetést; az atommag nem hasadt szét, darabok nem repültek le róla, hanem inkább a Bohr-mag cseppmodelljére emlékeztető folyamat volt; mint egy csepp, a mag megnyúlhat és osztódhat. Aztán utánajártam, hogyan elektromos töltés nukleonok csökkentik a felületi feszültséget, amely, amint azt meg tudtam állapítani, nullára esik Z = 100-nál, és talán nagyon kicsi az urán számára. Lise Meitner a tömeghiba következtében felszabaduló energia meghatározásával foglalkozott. Nagyon világos elképzelése volt a tömeghiba görbéről. Kiderült, hogy az elektrosztatikus taszítás miatt a hasadási elemek körülbelül 200 MeV energiát kapnak, és ez éppen megfelel a tömeghibához kapcsolódó energiának. Ezért a folyamat tisztán klasszikusan mehetne tovább anélkül, hogy magában foglalná a potenciálkorláton való áthaladás fogalmát, ami természetesen itt haszontalannak bizonyulna.
Két-három napot töltöttünk együtt karácsonykor. Aztán visszatértem Koppenhágába, és alig volt időm elmondani Bohrnak az ötletünket abban a pillanatban, amikor már az USA-ba tartó gőzhajóra szállt. Emlékszem, ahogy a homlokára csapott, amint beszélni kezdtem, és felkiáltott: „Ó, micsoda bolondok voltunk! Ezt hamarabb kellett volna észrevennünk." De ő nem vette észre, és senki sem vette észre.
Lise Meitner és én írtunk egy cikket. Ugyanakkor folyamatosan tartottuk a kapcsolatot a Koppenhága - Stockholm távolsági telefonon.

O. Frisch, Emlékiratok. UFN. 1968. T. 96., 4. szám, p. 697.

Spontán maghasadás

Az alábbiakban ismertetett kísérletekben a maghasadási folyamatok rögzítésére a Frisch által először javasolt módszert alkalmaztuk. Az urán-oxid réteggel bevont lemezekkel ellátott ionizációs kamra olyan lineáris erősítőhöz van csatlakoztatva, amelyet úgy hangoltak, hogy az uránból kibocsátott α-részecskéket a rendszer ne regisztrálja; a töredékekből származó impulzusok, amelyek sokkal nagyobbak, mint az α-részecskék impulzusai, feloldják a kimeneti tiratront, és mechanikus relének minősülnek.
Az ionizációs kamrát speciálisan többrétegű lapos kondenzátor formájában tervezték teljes területtel 15 lemez 1000 cm-ben Az egymástól 3 mm távolságra elhelyezkedő lemezeket 10-20 mg/cm urán-oxid réteggel vonták be 2 .
A töredékek számlálására hangolt erősítővel végzett legelső kísérletekben relén és oszcilloszkópon lehetett spontán (neutronforrás hiányában) impulzusokat megfigyelni. Ezeknek az impulzusoknak a száma csekély volt (6/1 óra), ezért érthető, hogy ezt a jelenséget nem lehetett megfigyelni a szokásos típusú kamerákkal ...
Hajlamosak vagyunk azt gondolni az általunk megfigyelt hatás az urán spontán hasadásából származó töredékeknek tulajdonítható...

A spontán hasadást az egyik gerjesztetlen U izotópnak kell tulajdonítani, amelynek felezési ideje az eredményeink értékeléséből származik:

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

Izotóp bomlás 238 U

Spontán maghasadás

A spontán hasadó izotópok felezési ideje Z = 92-100

Az első urán-grafit rácsos kísérleti rendszer 1941-ben épült E. Fermi irányításával. Ez egy 2,5 m hosszú bordás grafitkocka volt, amely körülbelül 7 tonna urán-oxidot tartalmazott, vasedényekbe zárva, amelyeket egymástól egyenlő távolságra helyeztek el a kockában. Az urán-grafit rács aljára RaBe neutronforrást helyeztek el. A szorzótényező egy ilyen rendszerben ≈0,7 volt. Az urán-oxid 2-5% szennyeződést tartalmazott. A további erőfeszítések több megszerzésére irányultak tiszta anyagokés 1942 májusára urán-oxidot kaptak, amelyben a szennyeződés kevesebb, mint 1%. A hasadási láncreakció biztosításához nagy mennyiségű grafit és urán felhasználására volt szükség - több tonna nagyságrendben. A szennyeződések kevesebb, mint néhány milliomodrész. A reaktor, amelyet 1942 végén állított össze Fermi a Chicagói Egyetemen, egy hiányos gömb alakú volt, amelyet felülről levágtak. 40 tonna uránt és 385 tonna grafitot tartalmazott. 1942. december 2-án este, miután a neutronelnyelő rudakat eltávolították, felfedezték, hogy a reaktor belsejében nukleáris láncreakció zajlik. A mért együttható 1,0006 volt. A reaktor kezdetben 0,5 W teljesítményszinten működött. December 12-re a teljesítményét 200 wattra növelték. Ezt követően a reaktort többre helyezték át biztonságos helyen, és teljesítményét több kW-ra növelték. Ebben az esetben a reaktor napi 0,002 g urán-235-öt fogyasztott.

Az első atomreaktor a Szovjetunióban

A Szovjetunió első F-1 kutatónukleáris reaktorának épülete 1946 júniusára készült el.
Az összes szükséges kísérlet elvégzése után kidolgozták a reaktor vezérlő és védelmi rendszerét, meghatározták a reaktor méreteit, elvégezték az összes szükséges kísérletet reaktormodellekkel, több modellen meghatározták a neutronsűrűséget, grafitblokkokat kaptak. (az ún. nukleáris tisztaság) és (neutronfizikai ellenőrzések után) uránblokkok, 1946 novemberében megkezdődött az F-1 reaktor építése.
A reaktor teljes sugara 3,8 m volt, 400 tonna grafitot és 45 tonna uránt igényelt. A reaktort rétegesen szerelték össze, és 1946. december 25-én 15 órakor az utolsó, 62. réteget is összeállították. Az úgynevezett vészrudak kivonása után a vezérlőrudat felemelték, elkezdték számolni a neutronsűrűséget, és 1946. december 25-én 18 órakor életre kelt és működni kezdett a Szovjetunió első reaktora. Izgalmas győzelem volt ez a tudósok számára – az atomreaktor megalkotóinak és mindennek szovjet emberek. Másfél évvel később, 1948. június 10-én a vízzel a csatornákban lévő ipari reaktor kritikus állapotot ért el, és hamarosan megkezdődött egy új típusú nukleáris üzemanyag - a plutónium - ipari előállítása.