Mi az oka az uránmagok hasadásának. Az uránmag hasadása

Osztály

42-43. lecke

Az urán atommagok hasadásának láncreakciója. 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 természetvédelmi törvény, amely kifejezetten erre vonatkozik magfizikaés elemi részecskefizika.

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 kisebbnek kell lenniük, mint a végtermékek magjaiban lévő nukleonok fajlagos kötési energiája. Ez azt jelenti, hogy a ΔM-nek pozitívnak kell lennie.

Két alapvető különböző módokon atomenergia felszabadítása.

1. Nehéz atommagok hasadása. Ellentétben az atommagok radioaktív bomlásával, amelyet α- vagy β-részecskék kibocsátása kísér, a hasadási reakciók olyan folyamatok, amelyek során egy 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, 90 és 145 közötti 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. A bárium, xenon, stroncium, rubídium stb. egyéb izotópjai is lehetnek az urán-235 atommagok hasadási termékei.

Egy uránmag hasadása során felszabaduló mozgási energia óriási - körülbelül 200 MeV. A maghasadás során felszabaduló energia felhasználásával megbecsülhető fajlagos kötési energia nukleonok a sejtmagban. A nukleonok fajlagos kötési energiája a magokban tömegszám A ≈ 240 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. Nál nél kedvező feltételek ezek a neutronok más uránmagokat is eltalálhatnak, és azok hasadását okozhatják. 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 események során 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.

NÁL NÉL atombombák ellenőrizetlen nukleáris láncreakció akkor 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. A lassú neutronokon működő atomreaktor sémáját az ábra mutatja. 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 egy új atommag kialakulása során nagy mennyiségű energia szabadul fel. 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 mag fúziója A-val< 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 lépjen, 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 nukleononként 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 műszaki feladat a szabályozott hőkezelés megvalósítása felé vezető úton. nukleáris fúzió.

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 számokkal rendelkező 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 lyuk, amely korlátozott potenciális gát. 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. A kvantummechanika szerint nem nulla a valószínűsége annak, hogy egy 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 részecske szabadul fel nulla tömeggel és töltéssel, ami elveszi 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 nyomán keletkezett 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-bomlás során a Z töltésszám eggyel nő, míg 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-radioaktivitástól eltérően az atommagok γ-radioaktivitása nem kapcsolódik a mag belső szerkezetének változásához, és nem kíséri változás a töltésben vagy a tömegben. 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. Nem stabil izotóp szén a kozmikus sugarak által kiváltott magreakciók következtében fordul elő a légkörben. Ennek az izotópnak egy kis százaléka megtalálható a levegőben a szokásos stabil izotóp mellett.A növények és más élőlények a levegőből fogyasztják el a szenet, és mindkét izotópot ugyanolyan arányban halmozzák fel, mint a levegőben. A növények pusztulását követően megszűnnek a szénfogyasztás, és az instabil izotóp a β-bomlás következtében 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 embert azonban ionizáló sugárzás érheti és életkörülmények. 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.

Atommaghasadási reakciók- hasadási reakciók, amelyek abból állnak, hogy a neutronok, és mint később kiderült, más részecskék hatására egy nehéz mag több könnyebb atommagra (töredékre) oszlik, leggyakrabban két, egymáshoz közel álló atommagra.

A maghasadás sajátossága, hogy két-három másodlagos neutron, ún. hasadási neutronok. Mivel közepes atommagoknál a neutronok száma megközelítőleg megegyezik a protonok számával ( N/Z ≈ 1), nehéz atommagoknál pedig a neutronok száma jelentősen meghaladja a protonok számát ( N/Z ≈ 1.6), akkor a keletkező hasadási fragmentumok neutronokkal túlterhelődnek, aminek következtében hasadási neutronok szabadulnak fel. A hasadási neutronok kibocsátása azonban nem szünteti meg teljesen a fragmentummagok neutronok általi túlterhelését. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a töredékek radioaktívak. Egy sor β - -transzformáción eshetnek át, amit γ-kvantumok kibocsátása kísér. Mivel a β - -bomlás a neutron protonná alakulásával jár, így a β - -transzformációk láncolata után a fragmentumban a neutronok és a protonok aránya eléri a stabil izotópnak megfelelő értéket. Például az U uránmag hasadása során

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

hasadási szilánk Három β-bomlás eredményeként a Xe a lantán La stabil izotópjává alakul:

Heh → Cs → Ba → La.

A hasadási töredékek sokfélék lehetnek, így nem a (265.1) reakció az egyetlen, amely U-hasadáshoz vezet.

A legtöbb neutron szinte azonnal kibocsátódik a hasadás során ( t≤ 10 –14 s), és egy részét (kb. 0,7%) a hasadási töredékek bocsátják ki a hasadás után valamivel (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Ezek közül az első az ún azonnali, a második - késleltetett.Átlagosan 2,5 neutron bocsát ki minden egyes hasadási esemény során. Viszonylag széles energiaspektrummal rendelkeznek, 0 és 7 MeV között, átlagos energia neutrononként körülbelül 2 MeV.

A számítások azt mutatják, hogy az atommagok hasadását a felszabadulásnak is együtt kell kísérnie egy nagy szám energia. Valójában a közepes tömegű atommagok fajlagos kötési energiája körülbelül 8,7 MeV, míg a nehéz atommagok esetében 7,6 MeV. Következésképpen egy nehéz magnak két fragmentumra való hasadása körülbelül 1,1 MeV/nukleon energiát szabadít fel.

Az atommagok hasadásának elmélete (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) az atommag cseppmodelljén alapult. Az atommagot egy elektromosan töltött összenyomhatatlan folyadék cseppjének tekintik (amelynek sűrűsége megegyezik a nukleáriséval és betartja a törvényeket kvantummechanika), amelynek részecskéi, amikor egy neutron belép az atommagba, eljutnak oszcilláló mozgás, aminek következtében a mag két részre szakad, nagy energiával repül szét.

A maghasadás valószínűségét a neutron energiája határozza meg. Például, ha a nagy energiájú neutronok szinte az összes atommag hasadását okozzák, akkor a több mega-elektronvolt energiájú neutronok csak nehéz atommagok ( DE>210), Neutronok aktiválási energia(a maghasadási reakció végrehajtásához szükséges minimális energia) 1 MeV nagyságrendű, az urán U, tórium Th, protaktinium Pa, plutónium Pu magjainak hasadását okozzák. Az U, Pu, valamint az U, Th atommagokat termikus neutronok osztják szét (az utolsó két izotóp a természetben nem fordul elő, mesterségesen nyerik).

A maghasadás során kibocsátott másodlagos neutronok új hasadási eseményeket okozhatnak, ami lehetővé teszi hasadási láncreakció- magreakció, amelyben a reakciót kiváltó részecskék e reakció termékeiként jönnek létre. A hasadási láncreakciót az jellemzi szorzótényező k neutronok, ami egyenlő az adott generációban lévő neutronok számának az előző generációhoz viszonyított arányával. Szükséges állapot a hasadási láncreakció kialakulásához az követelmény k ≥ 1.

Kiderült, hogy a keletkező másodlagos neutronok nem mindegyike okoz későbbi maghasadást, ami a szorzótényező csökkenéséhez vezet. Először is a véges méretek miatt mag(az a tér, ahol egy értékes reakció játszódik le) és a neutronok nagy áthatolóképessége miatt néhányuk elhagyja a magot, mielőtt bármilyen atommag befogná őket. Másodszor, a neutronok egy részét a magban mindig jelenlévő nem hasadó szennyeződések magjai fogják be, emellett a hasadás mellett versengő sugárzási befogási és rugalmatlan szórási folyamatok is végbemenhetnek.

A szorzótényező a hasadóanyag jellegétől, adott izotóp esetében pedig annak mennyiségétől, valamint az aktív zóna méretétől és alakjától függ. Minimális méretek aktív zónának nevezzük, amelyben láncreakció lehetséges kritikus dimenziók. A megvalósításhoz szükséges, kritikus méretű rendszerben elhelyezkedő hasadóanyag minimális tömege láncreakció, hívott kritikus tömeg.

A láncreakciók fejlődési üteme eltérő. Legyen T -átlagos idő

egy generáció élete, és N a neutronok száma egy adott generációban. A következő generációban számuk az kN,t. e) a neutronok számának növekedése generációnként dN = kN – N = N(k- egy). Az időegység alatti neutronok számának növekedése, azaz a láncreakció növekedési sebessége,

. (266.1)

Integrálva (266.1) kapjuk

,

ahol N0 a neutronok száma az idő kezdeti pillanatában, és N- számuk egyszerre t. N jel határozza meg ( k- egy). Nál nél k>1 megy válasz fejlesztése. a hadosztályok száma folyamatosan nő, és a reakció robbanásveszélyessé válhat. Nál nél k=1 megy önfenntartó válasz amelynél a neutronok száma nem változik az idő múlásával. Nál nél k <1 идет elhalványuló reakció,

A láncreakciókat szabályozott és kontrollálatlan csoportokra osztják. Az atombomba robbanása például ellenőrizetlen reakció. Annak érdekében, hogy az atombomba ne robbanjon fel a tárolás során, az U (vagy Pu) két, egymástól távoli részre van osztva, amelyek tömege a kritikus alatt van. Ezután egy közönséges robbanás segítségével ezek a tömegek közelednek egymáshoz, a hasadóanyag össztömege kritikusabbá válik, és robbanásszerű láncreakció következik be, amely hatalmas mennyiségű energia azonnali felszabadulásával és nagy pusztítással jár. Robbanásveszélyes reakció indul be a rendelkezésre álló spontán hasadási neutronok vagy kozmikus sugárzás neutronok miatt. Sikerült láncreakciók atomreaktorokban hajtják végre.

Az atommaghasadás egy nehéz atom két, megközelítőleg azonos tömegű töredékre való szétválása, amely nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.

Az atommaghasadás felfedezésével új korszak kezdődött - az "atomkor". Lehetséges felhasználásának lehetősége, valamint a használatból származó kockázat és haszon aránya nemcsak számos szociológiai, politikai, gazdasági és tudományos eredményt generált, hanem komoly problémákat is. Még tisztán tudományos szempontból is létrejött a maghasadás folyamata nagy szám rejtvények és bonyodalmak, teljes elméleti magyarázata pedig a jövő kérdése.

A megosztás nyereséges

A kötési energiák (nukleononként) eltérőek a különböző magoknál. A nehezebbek alacsonyabb kötési energiával rendelkeznek, mint a periódusos rendszer közepén találhatók.

Ez azt jelenti, hogy a 100-nál nagyobb rendszámú nehéz magoknál előnyös, ha két kisebb töredékre osztják, ezáltal energiát szabadítanak fel, amely a fragmentumok mozgási energiájává alakul. Ezt a folyamatot hasításnak nevezik

A stabilitási görbe szerint, amely a protonok számának a neutronszámtól való függését mutatja stabil nuklidok esetén, a nehezebb atommagok több neutront részesítenek előnyben (a protonok számához képest), mint a könnyebbek. Ez arra utal, hogy a hasítási folyamattal együtt néhány "tartalék" neutron is kibocsátásra kerül. Emellett a felszabaduló energia egy részét is átveszik. Az urán atom maghasadásának vizsgálata kimutatta, hogy 3-4 neutron szabadul fel: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

A töredék rendszáma (és atomtömege) nem egyenlő a szülő atomtömegének felével. A hasadás eredményeként kialakuló atomtömegek közötti különbség általában körülbelül 50. Ennek oka azonban még nem teljesen tisztázott.

A 238 U, 145 La és 90 Br kötési energiája 1803, 1198 és 763 MeV. Ez azt jelenti, hogy a reakció eredményeként az uránmag hasadási energiája szabadul fel, ami 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontán megosztottság

A spontán hasadás folyamatai ismertek a természetben, de nagyon ritkák. Ennek a folyamatnak az átlagos élettartama körülbelül 10 17 év, és például ugyanazon radionuklid alfa-bomlásának átlagos élettartama körülbelül 10 11 év.

Ennek az az oka, hogy a két részre szakadás érdekében a magot először ellipszoid alakúra kell deformálni (nyújtani), majd mielőtt végleg két részre szakadna, középen egy „nyakat” kell kialakítani.

Potenciális akadály

A deformált állapotban két erő hat a magra. Az egyik a megnövekedett felületi energia (a folyadékcsepp felületi feszültsége magyarázza gömb alakját), a másik pedig a hasadási töredékek közötti Coulomb-taszítás. Együtt potenciális akadályt képeznek.

Az alfa-bomláshoz hasonlóan ahhoz, hogy az urán atommag spontán hasadása megtörténjen, a fragmentumoknak kvantum-alagúttal kell leküzdeniük ezt a gátat. A gát körülbelül 6 MeV, mint az alfa-bomlás esetében, de az alfa-részecske alagútba való áthaladásának valószínűsége sokkal nagyobb, mint egy sokkal nehezebb atomhasadási terméké.

kényszerű hasítás

Sokkal valószínűbb az uránmag indukált hasadása. Ebben az esetben az anyamagot neutronokkal sugározzák be. Ha a szülő elnyeli, megköti, felszabadítva a kötési energiát rezgési energia formájában, amely meghaladhatja a potenciálgát leküzdéséhez szükséges 6 MeV-ot.

Ha a további neutron energiája nem elegendő a potenciálgát leküzdéséhez, a beeső neutronnak minimális kinetikus energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen az atom felhasadását előidézni. 238 U esetén a további neutronok kötési energiája kb. 1 MeV rövid. Ez azt jelenti, hogy az uránmag hasadását csak egy 1 MeV-nál nagyobb kinetikus energiájú neutron indukálja. Másrészt a 235 U izotópnak van egy páratlan neutronja. Amikor a mag elnyel egy továbbit, akkor párat alkot vele, és ennek a párosításnak köszönhetően további kötési energia jelenik meg. Ez elegendő ahhoz, hogy felszabaduljon az atommagnak a potenciálgát leküzdéséhez szükséges energiamennyiség, és az izotóphasadás bármely neutronnal való ütközéskor megtörténik.

béta bomlás

Annak ellenére, hogy a hasadási reakció három vagy négy neutront bocsát ki, a töredékek még mindig több neutront tartalmaznak, mint a stabil izobárok. Ez azt jelenti, hogy a hasítási fragmentumok általában instabilak a béta-bomlás ellen.

Például, amikor az urán 238U hasadása megtörténik, a stabil izobár A = 145 neodímium 145Nd, ami azt jelenti, hogy a lantán 145La fragmentum három lépésben bomlik, minden alkalommal egy elektront és egy antineutrínót bocsát ki, amíg stabil nuklid nem képződik. Az A = 90 értékű stabil izobár a cirkónium 90 Zr, ezért a bróm 90 Br hasító fragmentum a β-bomlási lánc öt szakaszában bomlik le.

Ezek a β-bomlási láncok további energiát szabadítanak fel, amelyet szinte az összes elektronok és antineutrínók elvisznek.

Nukleáris reakciók: uránmagok hasadása

A neutronok közvetlen kibocsátása olyan nuklidból, amelyben túl sok van belőlük ahhoz, hogy biztosítsa az atommag stabilitását, nem valószínű. Itt az a lényeg, hogy nincs Coulomb taszítás, és így a felületi energia hajlamos arra, hogy a neutront kötésben tartsa a szülővel. Ez azonban néha megtörténik. Például egy 90 Br méretű hasadási fragmentum az első béta-bomlási szakaszban kripton-90-et termel, amely gerjesztett állapotban lehet elegendő energiával ahhoz, hogy legyőzze a felületi energiát. Ebben az esetben a neutronok kibocsátása közvetlenül a kripton-89 képződésével történhet. továbbra is instabil a β-bomlás szempontjából, amíg stabil ittrium-89-té nem alakul át, így a kripton-89 három lépésben bomlik le.

Az urán atommagok hasadása: láncreakció

A hasadási reakció során kibocsátott neutronokat egy másik anyamag elnyelheti, amely aztán maga is indukált hasadáson megy keresztül. Az urán-238 esetében a keletkező három neutron 1 MeV-nál kisebb energiával jön ki (az uránmag hasadása során felszabaduló energia - 158 MeV - főként a hasadási fragmentumok mozgási energiájává alakul át ), így nem okozhatják ennek a nuklidnak a további hasadását. Ennek ellenére a ritka 235 U izotóp jelentős koncentrációjában ezeket a szabad neutronokat 235 U atommagok képesek befogni, ami valóban okozhat hasadást, mivel ebben az esetben nincs olyan energiaküszöb, amely alatt a hasadás ne indukálódik.

Ez a láncreakció elve.

A nukleáris reakciók típusai

Legyen k a hasadóanyag mintájában e lánc n szakaszában keletkezett neutronok száma osztva az n - 1 szakaszban keletkezett neutronok számával. Ez a szám attól függ, hogy az n - 1 szakaszban előállított neutronok hány darabja nyelődik el a mag által, amely osztódásra kényszerülhet.

Ha 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.

Ha k > 1, akkor a láncreakció mindaddig növekszik, amíg az összes hasadóanyagot fel nem használjuk, ezt úgy érjük el, hogy a természetes érc dúsításával kellően nagy koncentrációjú urán-235-öt kapunk. Gömb alakú mintánál a k értéke a neutronelnyelési valószínűség növekedésével nő, ami a gömb sugarától függ. Ezért az U tömegnek meg kell haladnia egy bizonyos mennyiséget ahhoz, hogy az uránmagok hasadása (láncreakció) megtörténjen.

Ha k = 1, akkor szabályozott reakció megy végbe. Ezt használják az atomreaktorokban. A folyamatot kadmium- vagy bórrudakkal szabályozzák az urán között, amelyek elnyelik a neutronok nagy részét (ezek az elemek képesek a neutronok befogására). Az uránmag hasadását automatikusan szabályozzák a rudak olyan mozgatásával, hogy k értéke eggyel maradjon.

>> 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 felszabadítani az atommag kialakulásában, és ebből következően annál kevesebb belső energiaújonnan kialakított rendszer.

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

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 tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fotók, képek, grafikák, táblázatok, humorsémák, 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