Fisi inti uranium hanya terjadi secara spontan. Fisi nuklir

Fisi inti uranium ditemukan pada tahun 1938 oleh ilmuwan Jerman O. Hahn dan F. Strassmann. Mereka berhasil menetapkan bahwa ketika membombardir inti uranium dengan neutron, unsur-unsur bagian tengah terbentuk sistem periodik: barium, kripton, dll. Interpretasi yang benar fakta ini diberikan oleh fisikawan Austria L. Meitner dan fisikawan Inggris O. Frisch. Mereka menjelaskan kemunculan unsur-unsur ini dengan peluruhan inti uranium, yang menangkap neutron, menjadi dua bagian yang kira-kira sama. Fenomena ini disebut fisi nuklir, dan inti yang dihasilkan disebut fragmen fisi.

Lihat juga

Vasiliev, A. Fisi uranium: dari Klaproth ke Gan, Kvant. - 2001. - No. 4. - S. 20-21.30.

Jatuhkan model nukleus

Reaksi fisi ini dapat dijelaskan berdasarkan model jatuhnya inti. Dalam model ini, nukleus dianggap sebagai setetes cairan tak termampatkan bermuatan listrik. Selain gaya nuklir yang bekerja di antara semua nukleon nukleus, proton mengalami tolakan elektrostatik tambahan, karena itu mereka terletak di pinggiran nukleus. Dalam keadaan tidak tereksitasi, gaya tolakan elektrostatik dikompensasi, sehingga nukleus memiliki bentuk bola (Gbr. 1a).

Setelah penangkapan oleh nukleus \(~^(235)_(92)U\) neutron, sebuah inti antara \(~(^(236)_(92)U)^*\) terbentuk, yaitu dalam keadaan tereksitasi. Dalam hal ini, energi neutron didistribusikan secara merata di antara semua nukleon, dan nukleus perantara itu sendiri berubah bentuk dan mulai berosilasi. Jika eksitasinya kecil, maka nukleus (Gbr. 1, b), membebaskan dirinya dari energi berlebih dengan memancarkan γ -kuantum atau neutron, kembali ke keadaan stabil. Jika energi eksitasi cukup tinggi, maka deformasi inti selama getaran bisa sangat besar sehingga penyempitan terbentuk di dalamnya (Gbr. 1c), mirip dengan penyempitan antara dua bagian tetesan cairan yang membelah. Gaya nuklir yang bekerja di pinggang yang sempit tidak dapat lagi menahan gaya tolakan Coulomb yang signifikan dari bagian-bagian inti. Penyempitan pecah, dan nukleus pecah menjadi dua "fragmen" (Gbr. 1d), yang menyebar ke arah yang berlawanan.

uran.swf Flash: Uranium Fission Perbesar Flash Pic. 2.

Saat ini, sekitar 100 isotop berbeda dengan nomor massa sekitar 90 hingga 145 diketahui, yang muncul dari fisi inti ini. Dua reaksi fisi khas dari nukleus ini memiliki bentuk:

\(~^(235)_(92)U + \ ^1_0n \ ^(\nearrow)_(\searrow) \ \begin(matrix) ^(144)_(56)Ba + \ ^(89)_( 36)Kr + \ 3^1_0n \\ ^(140)_(54)Xe + \ ^(94)_(38)Sr + \ 2^1_0n \end(matrix)\) .

Perhatikan bahwa sebagai akibat dari fisi nuklir yang diprakarsai oleh neutron, neutron baru dihasilkan yang dapat menyebabkan reaksi fisi di inti lain. Produk fisi inti uranium-235 juga dapat berupa isotop barium, xenon, strontium, rubidium, dll.

Selama pembelahan inti atom berat (\(~^(235)_(92)U\)) energi yang sangat besar dilepaskan - sekitar 200 MeV selama pembelahan setiap inti. Sekitar 80% dari energi ini dilepaskan dalam bentuk energi kinetik fragmen; 20% sisanya diperhitungkan oleh energi radiasi radioaktif fragmen dan energi kinetik neutron cepat.

Energi yang dilepaskan selama fisi nuklir dapat diperkirakan dengan menggunakan energi ikat spesifik nukleon dalam nukleus. Energi ikat spesifik nukleon dalam inti dengan nomor massa A 240 orde 7,6 MeV/nukleon, sedangkan dalam inti bernomor massa A = 90 – 145 energi spesifik kira-kira sama dengan 8,5 MeV/nukleon. Oleh karena itu, pembelahan inti uranium melepaskan energi orde 0,9 MeV/nukleon, atau sekitar 210 MeV per atom uranium. Dengan fisi lengkap semua inti yang terkandung dalam 1 g uranium, energi yang sama dilepaskan seperti selama pembakaran 3 ton batu bara atau 2,5 ton minyak.

Lihat juga

Varlamov A.A. Jatuhkan model nukleus // Kvant. - 1986. - No. 5. - S. 23-24

Reaksi berantai

Reaksi berantai - reaksi nuklir di mana partikel yang menyebabkan reaksi terbentuk sebagai produk dari reaksi ini.

Dalam fisi inti uranium-235, yang disebabkan oleh tumbukan dengan neutron, 2 atau 3 neutron dilepaskan. Pada kondisi yang menguntungkan neutron ini dapat mengenai inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Pada tahap ini, 4 hingga 9 neutron sudah akan muncul, yang mampu menyebabkan peluruhan baru inti uranium, dll. Proses seperti longsoran semacam itu disebut reaksi berantai. Skema untuk pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium ditunjukkan pada gambar. 3.

reaksi.swf Flash: reaksi berantai Perbesar Flash Pic. 4.

Uranium terdapat di alam dalam bentuk dua isotop \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) dan \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Ketika dibombardir oleh neutron, inti kedua isotop dapat terpecah menjadi dua fragmen. Dalam hal ini, reaksi fisi \(~^(235)_(92)U\) berlangsung paling intensif pada neutron lambat (termal), sedangkan inti \(~^(238)_(92)U\) masuk ke reaksi fisi hanya dengan neutron cepat dengan energi orde 1 MeV. Jika tidak, energi eksitasi dari inti yang terbentuk \(~^(239)_(92)U\) tidak cukup untuk fisi, dan kemudian alih-alih fisi, reaksi nuklir terjadi:

\(~^(238)_(92)U + \ ^1_0n \ke \ ^(239)_(92)U \ke \ ^(239)_(93)Np + \ ^0_(-1)e\ ) .

Isotop uranium \(~^(238)_(92)U\) β -radioaktif, waktu paruh 23 menit. Isotop neptunium \(~^(239)_(93)Np\) juga bersifat radioaktif, dengan waktu paruh sekitar 2 hari.

\(~^(239)_(93)Np \to \ ^(239)_(94)Pu + \ ^0_(-1)e\) .

Isotop plutonium \(~^(239)_(94)Np\) relatif stabil, dengan waktu paruh 24.000 tahun. Harta yang paling penting plutonium adalah bahwa ia dibagi di bawah pengaruh neutron dengan cara yang sama seperti \(~^(235)_(92)U\). Oleh karena itu, dengan bantuan \(~^(239)_(94)Np\) reaksi berantai dapat dilakukan.

Skema reaksi berantai yang dibahas di atas adalah kasus yang ideal. PADA kondisi nyata Tidak semua neutron yang dihasilkan dalam fisi berpartisipasi dalam fisi inti lainnya. Beberapa dari mereka ditangkap oleh inti atom asing non-fisil, yang lain terbang keluar dari uranium (kebocoran neutron).

Oleh karena itu, reaksi berantai fisi inti berat tidak selalu terjadi dan tidak untuk setiap massa uranium.

Faktor perkalian neutron

Perkembangan reaksi berantai ditandai dengan apa yang disebut faktor perkalian neutron Ke, yang diukur dengan perbandingan bilangan N i neutron yang menyebabkan pembelahan inti materi pada salah satu tahap reaksi, ke nomor N i-1 neutron yang menyebabkan fisi pada tahap reaksi sebelumnya:

\(~K = \dfrac(N_i)(N_(i - 1))\) .

Faktor perkalian tergantung pada sejumlah faktor, khususnya, pada sifat dan jumlah bahan fisil, pada bentuk geometris volume yang ditempatinya. Jumlah yang sama dari suatu zat tertentu memiliki arti yang berbeda Ke. Ke maksimum jika zat memiliki bentuk bola, karena dalam hal ini hilangnya neutron cepat melalui permukaan akan menjadi yang terkecil.

Massa bahan fisil di mana reaksi berantai berlangsung dengan faktor perkalian Ke= 1 disebut massa kritis. Dalam potongan-potongan kecil uranium, sebagian besar neutron, tanpa menabrak inti apa pun, terbang keluar.

Nilai massa kritis ditentukan oleh geometri sistem fisik, strukturnya dan lingkungan eksternal. Jadi, untuk sebuah bola uranium murni \(~^(235)_(92)U\) massa kritisnya adalah 47 kg (sebuah bola dengan diameter 17 cm). Massa kritis uranium dapat dikurangi berkali-kali dengan menggunakan apa yang disebut moderator neutron. Faktanya adalah bahwa neutron yang dihasilkan selama peluruhan inti uranium memiliki kecepatan yang terlalu tinggi, dan kemungkinan penangkapan neutron lambat oleh inti uranium-235 ratusan kali lebih besar daripada yang cepat. Moderator neutron terbaik adalah air berat D 2 O. Saat berinteraksi dengan neutron, air biasa sendiri berubah menjadi air berat.

Moderator yang baik juga adalah grafit, yang intinya tidak menyerap neutron. Setelah interaksi elastis dengan deuterium atau inti karbon, neutron diperlambat ke kecepatan termal.

Penggunaan moderator neutron dan cangkang berilium khusus yang memantulkan neutron memungkinkan pengurangan massa kritis hingga 250 g.

Dengan faktor perkalian Ke= 1 jumlah inti fisil dipertahankan pada tingkat yang konstan. Mode ini disediakan di reaktor nuklir.

Jika massa bahan bakar nuklir lebih kecil dari massa kritis, maka faktor perkalian Ke < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без sumber luar neutron cepat meluruh.

Jika massa bahan bakar nuklir lebih besar dari yang kritis, maka faktor perkaliannya Ke> 1 dan setiap generasi baru neutron menyebabkan semua lagi divisi. Reaksi berantai tumbuh seperti longsoran salju dan bersifat ledakan, disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar dan peningkatan suhu lingkungan hingga beberapa juta derajat. Reaksi berantai semacam ini terjadi ketika sebuah bom atom meledak.

Bom nuklir

Dalam keadaan normal, bom nuklir tidak meledak karena muatan nuklir di dalamnya dibagi menjadi beberapa bagian kecil oleh partisi yang menyerap produk peluruhan uranium - neutron. Reaksi berantai nuklir yang menyebabkan ledakan nuklir tidak dapat dipertahankan dalam kondisi seperti itu. Namun, jika fragmen muatan nuklir dihubungkan bersama, maka massa totalnya akan cukup untuk memulai reaksi berantai fisi uranium. Hasilnya adalah ledakan nuklir. Pada saat yang sama, kekuatan ledakan yang dikembangkan oleh bom nuklir relatif ukuran kecil, setara dengan daya yang dilepaskan selama ledakan jutaan dan miliaran ton TNT.

Beras. 5. Bom atom

Reaksi nuklir berantai. Sebagai hasil dari percobaan iradiasi neutron uranium, ditemukan bahwa di bawah aksi neutron, inti uranium dibagi menjadi dua inti (fragmen) sekitar setengah massa dan muatan; proses ini disertai dengan emisi beberapa (dua atau tiga) neutron (Gbr. 402). Selain uranium, beberapa elemen lagi dari antara elemen terakhir dari sistem periodik Mendeleev mampu fisi. Unsur-unsur ini, seperti uranium, fisi tidak hanya di bawah pengaruh neutron, tetapi juga tanpa pengaruh eksternal (spontan). Fisi spontan dibuat secara eksperimental oleh fisikawan Soviet K. A. Petrzhak dan Georgy Nikolaevich Flerov (lahir 1913) pada tahun 1940. Ini adalah proses yang sangat langka. Jadi, dalam 1 g uranium, hanya sekitar 20 fisi spontan yang terjadi per jam.

Beras. 402. Fisi inti uranium di bawah pengaruh neutron: a) inti menangkap neutron; b) dampak neutron pada nukleus menyebabkan nukleus berosilasi; c) nukleus terbagi menjadi dua bagian; lebih banyak neutron yang dipancarkan.

Karena tolakan elektrostatik timbal balik, fragmen fisi menyebar ke arah yang berlawanan, memperoleh energi kinetik yang sangat besar (sekitar ). Dengan demikian, reaksi fisi terjadi dengan pelepasan energi yang signifikan. Fragmen yang bergerak cepat mengionisasi atom medium secara intens. Properti fragmen ini digunakan untuk mendeteksi proses fisi menggunakan ruang ionisasi atau ruang awan. Sebuah foto jejak fragmen fisi di ruang awan ditunjukkan pada gambar. 403. Sangat signifikan bahwa neutron yang dipancarkan selama fisi inti uranium (yang disebut neutron fisi sekunder) mampu menyebabkan fisi inti uranium baru. Berkat ini, dimungkinkan untuk melakukan reaksi berantai fisi: setelah muncul, reaksi, pada prinsipnya, dapat berlanjut dengan sendirinya, mencakup peningkatan jumlah inti. Skema pengembangan reaksi cellon yang tumbuh seperti itu ditunjukkan pada Gambar. 404.

Beras. 403. Foto jejak fragmen fisi uranium di ruang awan: fragmen () menyebar ke arah yang berlawanan dari lapisan tipis uranium yang disimpan di piring yang menghalangi ruang. Gambar itu juga menunjukkan banyak jejak tipis milik proton yang tersingkir oleh neutron dari molekul mobil air yang terkandung di dalam ruangan.

Melakukan reaksi fisi berantai dalam praktiknya tidak mudah; Pengalaman menunjukkan bahwa dalam massa uranium alam tidak terjadi reaksi berantai. Alasan untuk ini terletak pada hilangnya neutron sekunder; di uranium alam sebagian besar neutron keluar dari permainan tanpa menyebabkan fisi. Seperti yang telah diungkapkan oleh penelitian, hilangnya neutron terjadi pada isotop uranium yang paling umum - uranium - 238 (). Isotop ini dengan mudah menyerap neutron dalam reaksi yang mirip dengan reaksi perak dengan neutron (lihat 222); ini menghasilkan isotop radioaktif artifisial. Ia membelah dengan susah payah dan hanya di bawah aksi neutron cepat.

Isotop yang terkandung dalam uranium alam dalam jumlah tertentu memiliki sifat yang lebih berhasil untuk reaksi berantai. Itu dibagi di bawah aksi neutron dari energi apa pun - cepat dan lambat, dan semakin baik, semakin rendah energi neutron. Proses bersaing dengan fisi - penyerapan sederhana neutron - tidak mungkin berbeda dengan. Oleh karena itu, dalam uranium-235 murni, reaksi berantai fisi dimungkinkan, asalkan massa uranium-235 cukup besar. Dalam uranium bermassa rendah, reaksi fisi dihentikan karena emisi neutron sekunder di luar materinya.

Beras. 404. Perkembangan Reaksi Fisi yang Berharga: Dapat diterima dengan syarat bahwa dua neutron dipancarkan selama fisi nuklir dan tidak ada kehilangan neutron, mis. setiap neutron menyebabkan fisi baru; lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Memang, mengingat ukuran kecil Dalam inti atom, sebuah neutron menempuh jarak jauh dalam materi (diukur dalam sentimeter) sebelum secara tidak sengaja menabrak inti. Jika dimensi tubuh kecil, maka kemungkinan tabrakan dalam perjalanan menuju pintu keluar kecil. Hampir semua neutron fisi sekunder terbang keluar melalui permukaan tubuh tanpa menyebabkan fisi baru, yaitu, tanpa melanjutkan reaksi.

Dari benda berdimensi besar, terutama neutron yang terbentuk di lapisan permukaan yang terbang keluar. Neutron yang terbentuk di dalam tubuh memiliki ketebalan uranium yang cukup di depannya dan sebagian besar menyebabkan fisi baru, melanjutkan reaksi (Gbr. 405). Semakin besar massa uranium, semakin kecil fraksi volume lapisan permukaan, dari mana banyak neutron hilang, dan semakin menguntungkan kondisi untuk pengembangan reaksi berantai.

Beras. 405. Pengembangan reaksi fisi berantai di . a) Dalam massa kecil, sebagian besar neutron fisi terbang keluar. b) Dalam massa uranium yang besar, banyak neutron fisi menyebabkan pembelahan inti baru; jumlah divisi meningkat dari generasi ke generasi. Lingkaran - fragmen fisi, panah - neutron fisi

Dengan meningkatkan jumlah secara bertahap, kita akan mencapai massa kritis, yaitu massa terkecil, mulai dari mana reaksi berantai fisi berkelanjutan dimungkinkan. Dengan peningkatan massa lebih lanjut, reaksi akan mulai berkembang pesat (ini akan dimulai dengan pembelahan spontan). Ketika massa berkurang di bawah nilai kritis, reaksi meluruh.

Jadi, Anda dapat melakukan reaksi fisi berantai. Jika sudah cukup murni, pisahkan dari.

Seperti yang kita lihat di 202, pemisahan isotop adalah operasi yang kompleks dan mahal, tetapi masih mungkin. Memang, ekstraksi dari uranium alam adalah salah satu cara di mana reaksi berantai fisi dipraktekkan.

Bersamaan dengan ini, reaksi berantai dicapai dengan cara lain, yang tidak memerlukan pemisahan isotop uranium. Metode ini pada prinsipnya agak lebih rumit, tetapi lebih mudah untuk diterapkan. Ini menggunakan pelambatan neutron fisi sekunder cepat untuk mempercepat gerakan termal. Kita telah melihat bahwa dalam uranium alam, neutron sekunder langsung sebagian besar diserap oleh isotop. Karena penyerapan dalam tidak menyebabkan fisi, reaksi berakhir. Pengukuran menunjukkan bahwa ketika neutron diperlambat ke kecepatan termal, daya serap meningkat lebih dari daya serap. Penyerapan neutron oleh isotop , yang mengarah ke fisi, berada di atas angin. Oleh karena itu, jika neutron fisi diperlambat, mencegahnya diserap ke dalam , reaksi berantai akan mungkin terjadi dengan uranium alam.

Beras. 406. Sistem uranium alam dan moderator di mana reaksi berantai fisi dapat berkembang

Dalam praktiknya, hasil ini dicapai dengan menempatkan batang cerobong uranium alam dalam bentuk kisi langka di moderator (Gbr. 406). Zat yang memiliki massa atom rendah dan neutron yang menyerap lemah digunakan sebagai moderator. Moderator yang baik adalah grafit, air berat, berilium.

Biarkan pembelahan inti uranium terjadi di salah satu batang. Karena batangnya relatif tipis, neutron sekunder cepat akan terbang hampir seluruhnya ke moderator. Batang terletak di kisi sangat jarang. Sebelum mengenai batang baru, neutron yang dipancarkan mengalami banyak tumbukan dengan inti moderator dan melambat hingga kecepatan gerak termal (Gbr. 407). Setelah kemudian mengenai batang uranium, neutron kemungkinan besar akan diserap dan menyebabkan fisi baru, sehingga melanjutkan reaksi. Reaksi fisi berantai pertama kali dilakukan di Amerika Serikat pada tahun 1942. sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh fisikawan Italia Enrico Fermi (1901-1954) dalam sistem dengan uranium alam. Proses ini diterapkan secara independen di Uni Soviet pada tahun 1946. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) dengan karyawan.

Beras. 407. Pengembangan reaksi fisi yang berharga dalam sistem uranium alam dan moderator. Sebuah neutron cepat, terbang keluar dari batang tipis, mengenai moderator dan melambat. Sekali lagi dalam uranium, neutron yang diperlambat kemungkinan akan diserap ke dalam , menyebabkan fisi (simbol: dua lingkaran putih). Beberapa neutron diserap pada tanpa menyebabkan pembelahan (simbol: lingkaran hitam)

Energi E yang dilepaskan selama fisi meningkat dengan meningkatnya Z 2 /A. Nilai Z 2 /A = 17 untuk 89 Y (yttrium). Itu. fisi secara energetik menguntungkan untuk semua inti yang lebih berat dari itrium. Mengapa sebagian besar inti tahan terhadap pembelahan spontan? Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu diperhatikan mekanisme pembagiannya.

Selama pembelahan, bentuk inti berubah. Nukleus secara berurutan melewati tahap-tahap berikut (Gbr. 7.1): bola, ellipsoid, halter, dua fragmen berbentuk buah pir, dua fragmen bulat. Bagaimana energi potensial inti berubah pada berbagai tahap fisi?
Inti awal dengan pembesaran r mengambil bentuk ellipsoid revolusi yang semakin memanjang. Dalam hal ini, karena evolusi bentuk inti, perubahan energi potensialnya ditentukan oleh perubahan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb E p + E k. Dalam hal ini, energi permukaan meningkat, karena luas permukaan nukleus meningkat. Energi Coulomb berkurang dengan bertambahnya jarak rata-rata antara proton. Jika, dengan sedikit deformasi, dicirikan oleh parameter kecil , inti awal berbentuk ellipsoid simetris aksial, energi permukaan E" p dan energi Coulomb E" k sebagai fungsi dari perubahan parameter deformasi sebagai berikut:

Dalam rasio (7,4–7,5) E n dan E k adalah energi permukaan dan Coulomb dari inti simetris bola awal.
Di wilayah inti berat, 2E n > Ek, dan jumlah energi permukaan dan Coulomb meningkat dengan bertambahnya . Ini mengikuti dari (7.4) dan (7.5) bahwa pada deformasi kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk nukleus dan, akibatnya, fisi.
Relasi (7.5) berlaku untuk regangan kecil . Jika deformasi begitu besar sehingga inti berbentuk halter, maka permukaan dan gaya Coulomb cenderung memisahkan inti dan memberikan fragmen bentuk bola. Jadi, dengan peningkatan bertahap dalam deformasi nukleus, energi potensialnya melewati maksimum. Plot energi permukaan dan Coulomb inti sebagai fungsi dari r ditunjukkan pada gambar. 7.2.

Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi nuklir spontan seketika. Agar inti dapat membelah, perlu diberikan energi Q yang melebihi tinggi penghalang fisi H. Energi potensial maksimum inti fisil E + H (misalnya emas) menjadi dua fragmen identik adalah ≈ 173 MeV , dan energi E yang dilepaskan selama fisi adalah 132 MeV . Jadi, selama pembelahan inti emas, perlu untuk mengatasi penghalang potensial dengan ketinggian sekitar 40 MeV.
Ketinggian penghalang fisi H semakin besar, semakin kecil rasio Coulomb dan energi permukaan E terhadap /E p di inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat dengan peningkatan parameter pembagian Z 2 /A (7.3). Semakin berat nukleus, semakin rendah ketinggian penghalang fisi H, karena parameter fisi, dengan asumsi bahwa Z sebanding dengan A, meningkat dengan meningkatnya nomor massa:

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

(7.6)

Oleh karena itu, inti yang lebih berat umumnya perlu disuplai dengan energi yang lebih sedikit untuk menyebabkan fisi nuklir.
Ketinggian penghalang fisi menghilang pada 2E p – Ec = 0 (7,5). Pada kasus ini

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

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

Jadi, menurut model drop, inti dengan Z 2 /A > 49 tidak dapat eksis di alam, karena mereka harus secara spontan membelah menjadi dua fragmen hampir seketika dalam waktu nuklir karakteristik dari urutan 10-22 detik. Ketergantungan bentuk dan ketinggian penghalang potensial H, serta energi fisi, pada nilai parameter Z 2 /A ditunjukkan pada Gambar. 7.3.

Beras. 7.3. Ketergantungan radial dari bentuk dan ketinggian penghalang potensial dan energi fisi E pada berbagai nilai parameter Z 2 /A. Nilai E p + E k diplot pada sumbu vertikal.

Fisi nuklir spontan dengan Z 2 /A< 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 >10 21 tahun untuk 232 Th hingga 0,3 detik untuk 260 Rf.
Fisi nuklir paksa dengan Z 2 /A< 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Nilai minimum energi eksitasi inti senyawa E* yang terbentuk selama penangkapan neutron sama dengan energi ikat neutron dalam inti ini n . Tabel 7.1 membandingkan tinggi penghalang H dan energi ikat neutron n untuk isotop Th, U, Pu yang terbentuk setelah penangkapan neutron. Energi ikat neutron bergantung pada jumlah neutron dalam inti. Karena energi berpasangan, energi ikat neutron genap lebih besar daripada energi ikat neutron ganjil.

Tabel 7.1

Tinggi penghalang fisi H, energi ikat neutron n

Isotop	Tinggi penghalang fisi H, MeV	Isotop	Energi ikat neutron 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

Ciri khas fisi adalah bahwa fragmen, sebagai suatu peraturan, memiliki massa yang berbeda. Dalam kasus pembelahan 235 U yang paling mungkin, rasio massa fragmen rata-rata ~1,5. Distribusi massa fragmen fisi 235 U oleh neutron termal ditunjukkan pada Gambar. 7.4. Untuk fisi yang paling mungkin, fragmen berat memiliki nomor massa 139, ringan - 95. Di antara produk fisi ada fragmen dengan A = 72 - 161 dan Z = 30 - 65. Probabilitas fisi menjadi dua fragmen massa yang sama tidak sama dengan nol. Dalam fisi 235 U oleh neutron termal, probabilitas fisi simetris kira-kira tiga kali lipat lebih rendah daripada dalam kasus fisi yang paling mungkin menjadi fragmen dengan A = 139 dan 95.
Fisi asimetris dijelaskan oleh struktur cangkang nukleus. Nukleus cenderung membelah sedemikian rupa sehingga bagian utama nukleon dari setiap fragmen membentuk inti magis yang paling stabil.
Perbandingan jumlah neutron dengan jumlah proton dalam inti 235 U N/Z = 1,55, sedangkan isotop stabil, yang memiliki nomor massa mendekati nomor massa fragmen, rasio ini adalah 1,25 1,45. Akibatnya, fragmen fisi berubah menjadi sangat kelebihan muatan dengan neutron dan harus
- radioaktif. Oleh karena itu, fragmen fisi mengalami - peluruhan berturut-turut, dan muatan fragmen primer dapat berubah sebesar 4 - 6 unit. Di bawah ini adalah rantai karakteristik peluruhan radioaktif 97 Kr - salah satu fragmen yang terbentuk selama fisi 235 U:

Eksitasi fragmen, yang disebabkan oleh pelanggaran rasio jumlah proton dan neutron, yang merupakan karakteristik inti stabil, juga dihilangkan karena emisi neutron fisi yang cepat. Neutron ini dipancarkan oleh fragmen yang bergerak dalam waktu kurang dari ~ 10 -14 detik. Rata-rata, 2 3 neutron cepat dipancarkan dalam setiap peristiwa fisi. Spektrum energi mereka kontinu dengan maksimum sekitar 1 MeV. Energi rata-rata neutron cepat mendekati 2 MeV. Emisi lebih dari satu neutron dalam setiap peristiwa fisi memungkinkan untuk memperoleh energi melalui reaksi berantai fisi nuklir.
Dalam fisi yang paling mungkin dari 235 U oleh neutron termal, sebuah fragmen ringan (A = 95) memperoleh energi kinetik 100 MeV, dan yang berat (A = 139) memperoleh sekitar 67 MeV. Jadi, energi kinetik total fragmen adalah 167 MeV. Energi fisi total dalam hal ini adalah 200 MeV. Dengan demikian, energi yang tersisa (33 MeV) didistribusikan di antara produk fisi lainnya (neutron, elektron, dan antineutrino - peluruhan fragmen, radiasi fragmen dan produk peluruhannya). Distribusi energi fisi antara produk yang berbeda selama fisi 235 U oleh neutron termal diberikan pada Tabel 7.2.

Tabel 7.2

Distribusi energi fisi 235 U neutron termal

Produk fisi nuklir (NFs) adalah campuran kompleks lebih dari 200 isotop radioaktif dari 36 elemen (dari seng hingga gadolinium). Sebagian besar aktivitas terdiri dari radionuklida berumur pendek. Jadi, setelah 7, 49, dan 343 hari setelah ledakan, aktivitas PND menurun masing-masing 10, 100, dan 1000 kali, dibandingkan dengan aktivitas satu jam setelah ledakan. Hasil radionuklida yang paling signifikan secara biologis disajikan pada Tabel 7.3. Selain PND, kontaminasi radioaktif disebabkan oleh radionuklida aktivitas induksi (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co, dll.) dan bagian uranium dan plutonium yang tidak terbagi. Peran aktivitas induksi dalam ledakan termonuklir sangat besar.

Tabel 7.3

Pelepasan beberapa produk fisi dalam ledakan nuklir

Radionuklida	Setengah hidup	Keluaran per divisi, %	Aktivitas per 1 Mt, 10 15 Bq
89Sr	50,5 hari	2.56	590
90Sr	29,12 tahun	3.5	3.9
95 Zr	65 hari	5.07	920
103 Ru	41 hari	5.2	1500
106 Ru	365 hari	2.44	78
131 aku	8,05 hari	2.9	4200
136Cs	13,2 hari	0.036	32
137Cs	30 tahun	5.57	5.9
140 Ba	12,8 hari	5.18	4700
141Cs	32,5 hari	4.58	1600
144Cs	288 hari	4.69	190
3H	12,3 tahun	0.01	2.6 10 -2

Selama ledakan nuklir di atmosfer, sebagian besar presipitasi (hingga 50% dalam ledakan tanah) jatuh di dekat area pengujian. Bagian dari zat radioaktif disimpan di bagian bawah atmosfer dan, di bawah pengaruh angin, bergerak dalam jarak yang jauh, tetap berada pada garis lintang yang sama. Berada di udara selama sekitar satu bulan, zat radioaktif selama gerakan ini secara bertahap jatuh ke Bumi. Sebagian besar radionuklida dilepaskan ke stratosfer (sampai ketinggian 10÷15 km), di mana mereka tersebar secara global dan sebagian besar membusuk.
Berbagai elemen desain reaktor nuklir memiliki aktivitas yang tinggi selama beberapa dekade (Tabel 7.4)

Tabel 7.4

Nilai aktivitas spesifik (Bq/t uranium) dari produk fisi utama dalam elemen bahan bakar yang dikeluarkan dari reaktor setelah tiga tahun beroperasi

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

Pelajaran fisika di kelas 9

"Pembelahan inti uranium. Reaksi berantai"

Tujuan pelajaran: untuk mengenalkan siswa dengan proses pembelahan inti atom uranium, mekanisme reaksi berantai.

Tugas:

pendidikan:

mempelajari mekanisme fisi nuklir uranium-235; memperkenalkan konsep massa kritis; menentukan faktor-faktor yang menentukan jalannya reaksi berantai.

pendidikan:

mengarahkan siswa untuk memahami pentingnya penemuan ilmiah dan itu bahaya yang bisa datang dari prestasi ilmiah dengan sikap ceroboh, buta huruf atau tidak bermoral terhadap mereka.

mengembangkan:

perkembangan berpikir logis; pengembangan pidato monolog dan dialogis; pengembangan operasi mental pada siswa: analisis, perbandingan, belajar. Pembentukan ide integritas gambar dunia

Jenis pelajaran: pelajaran.

Kompetensi, yang pembentukan pelajarannya ditujukan untuk:

nilai-semantik - kemampuan untuk melihat dan memahami dunia sekitar,

budaya umum - menguasai gambaran ilmiah dunia oleh siswa,

pendidikan dan kognitif - kemampuan untuk membedakan fakta dari dugaan,

Keterampilan komunikasi - keterampilan kerja tim, pengetahuan tentang berbagai peran sosial secara kolektif,

kompetensi peningkatan diri pribadi - budaya berpikir dan berperilaku

Kemajuan pelajaran: 1. Mengatur waktu.

Telah datang pelajaran baru. Aku akan tersenyum padamu dan kamu akan saling tersenyum. Dan pikirkan: betapa bagusnya kita semua di sini bersama hari ini. Kami sederhana dan baik hati, ramah dan penuh kasih sayang. Kita semua sehat. - Tarik napas dalam-dalam dan buang napas. Buanglah dendam, kemarahan, dan kecemasan kemarin. Saya berharap kita semua pelajaran bagus .

2. Memeriksa pekerjaan rumah.

Uji.

1. Berapakah muatan pada nukleus?

1) positif 2) negatif 3) inti tidak bermuatan

2. Apa itu partikel alfa?

1) elektron 2) inti atom helium

3) radiasi elektromagnetik

3. Berapa banyak proton dan neutron yang dikandung oleh inti atom berilium?

1) Z=9, N=4 2) Z=5, N=4 3) Z=4, N=5

4. inti apa unsur kimia terbentuk selama - peluruhan radium?

Ra → ? + Dia.

1) radon 2) uranium 3) fermium

5. Massa nukleus selalu ... jumlah massa nukleon yang terdiri darinya.

1) lebih besar dari 2) sama dengan 3) kurang

6. Neutron adalah partikel

1) memiliki muatan +1, massa atom 1;

2) memiliki muatan – 1, massa atom 0;

3) memiliki muatan 0, massa atom 1.

7. Tentukan produk kedua dari reaksi nuklir

Jawaban: Opsi 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Bagaimana proton berinteraksi secara elektrik satu sama lain di dalam nukleus?

9. Apa itu cacat massal? Tuliskan rumusnya.

10. Apa itu energi ikatan? Tuliskan rumusnya.

Mempelajari materi baru.

Kami baru-baru ini mengetahui bahwa beberapa unsur kimia diubah menjadi unsur kimia lain selama peluruhan radioaktif. Dan menurut Anda apa yang akan terjadi jika beberapa partikel diarahkan ke inti atom dari unsur kimia tertentu, misalnya, neutron ke dalam inti uranium?

Pada tahun 1939, ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann menemukan fisi inti uranium. Mereka menemukan bahwa ketika uranium dibombardir dengan neutron, elemen-elemen dari bagian tengah sistem periodik muncul - isotop radioaktif barium (Z = 56), kripton (Z = 36), dll.

Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci proses fisi inti uranium selama pemboman oleh neutron sesuai dengan gambar. Sebuah neutron memasuki inti uranium diserap olehnya. Nukleus tereksitasi dan mulai berubah bentuk seperti setetes cairan.

Nukleus memasuki keadaan eksitasi dan mulai berubah bentuk. Mengapa inti pecah menjadi 2 bagian? Kekuatan apa yang menyebabkan putus?

Gaya apa yang bekerja di dalam inti?

- Elektrostatik dan nuklir.

Oke, jadi bagaimana gaya elektrostatik memanifestasikan dirinya?

- Gaya elektrostatik bekerja antara partikel bermuatan. Partikel bermuatan dalam inti adalah proton. Karena proton bermuatan positif, itu berarti gaya tolak menolak di antara mereka.

Benar, tetapi bagaimana kekuatan nuklir memanifestasikan dirinya?

– Gaya nuklir adalah gaya tarik menarik antara semua nukleon.

Jadi, di bawah aksi gaya apa inti pecah?

– (Jika ada kesulitan, saya mengajukan pertanyaan yang mengarahkan dan mengarahkan siswa pada kesimpulan yang benar) Di bawah aksi gaya tolak elektrostatik, nukleus terbelah menjadi dua bagian, yang menyebar ke arah yang berbeda dan memancarkan 2-3 neutron.

Itu membentang sampai gaya tolak listrik mulai menang atas yang nuklir. Inti pecah menjadi dua fragmen, membuang dua atau tiga neutron. Ini adalah teknologi pembelahan inti uranium.

Fragmen-fragmen itu menyebar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Ternyata sebagian energi internal inti diubah menjadi energi kinetik pecahan dan partikel terbang. Fragmen jatuh ke dalam lingkungan. Menurut Anda apa yang sedang terjadi pada mereka?

– Fragmen diperlambat di lingkungan.

Agar tidak melanggar hukum kekekalan energi, kita harus mengatakan apa yang akan terjadi pada energi kinetik?

– Energi kinetik pecahan diubah menjadi energi dalam medium.

Apakah mungkin untuk memperhatikan itu energi dalam lingkungan berubah?

Ya, lingkungan memanas.

Tetapi apakah perubahan energi internal akan dipengaruhi oleh faktor bahwa sejumlah inti uranium yang berbeda akan berpartisipasi dalam fisi?

- Tentu saja, dengan pembagian simultan jumlah yang besar inti uranium, energi internal dari medium yang mengelilingi uranium meningkat.

Dari pelajaran kimia, Anda tahu bahwa reaksi dapat terjadi baik dengan penyerapan energi maupun dengan pelepasan. Apa yang dapat kita katakan tentang jalannya reaksi fisi uranium?

- Reaksi fisi inti uranium berjalan dengan pelepasan energi ke lingkungan.

(Slide 13)

Uranium terjadi di alam dalam bentuk dua isotop: U (99,3%) dan U (0,7%). Dalam hal ini, reaksi fisi U berlangsung paling intensif pada neutron lambat, sedangkan inti U hanya menyerap neutron, dan fisi tidak terjadi. Oleh karena itu, minat utama adalah reaksi fisi inti U. Saat ini, sekitar 100 isotop berbeda dengan nomor massa sekitar 90 hingga 145 diketahui, yang timbul dari fisi inti ini. Dua reaksi fisi khas dari nukleus ini memiliki bentuk:

Perhatikan bahwa energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium sangat besar. Misalnya, dengan fisi lengkap semua inti yang terkandung dalam 1 kg uranium, energi yang sama dilepaskan dengan pembakaran 3000 ton batubara. Apalagi energi ini bisa dikeluarkan secara instan.

(Slide 14)

Mencari tahu apa yang akan terjadi pada pecahan Bagaimana neutron akan berperilaku?

Dalam fisi inti uranium-235, yang disebabkan oleh tumbukan dengan neutron, 2 atau 3 neutron dilepaskan. Dalam kondisi yang menguntungkan, neutron ini dapat menabrak inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Pada tahap ini, 4 hingga 9 neutron sudah akan muncul, yang mampu menyebabkan peluruhan baru inti uranium, dll. Proses seperti longsoran ini disebut reaksi berantai. (Entri buku catatan: Reaksi nuklir berantai- urutan reaksi nuklir, yang masing-masing disebabkan oleh partikel yang muncul sebagai produk reaksi pada langkah urutan sebelumnya). Skema pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium akan dibahas lebih rinci dalam klip video dalam gerakan lambat untuk lebih pertimbangan rinci

Kita melihat bahwa jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium meningkat seperti longsoran salju seiring waktu. Apa yang bisa menyebabkan ini?

- Untuk ledakan.

Mengapa?

- Jumlah fisi nuklir meningkat dan, karenanya, energi yang dilepaskan per unit waktu.

Tetapi bagaimanapun juga, opsi lain juga dimungkinkan, di mana jumlah neutron bebas berkurang seiring waktu, nukleus tidak bertemu dengan neutron dalam perjalanannya. Pada kasus ini apa yang terjadi pada reaksi berantai?

- Ini akan berhenti.

Dapatkah energi dari reaksi semacam itu digunakan untuk tujuan damai?

Bagaimana seharusnya reaksi berlangsung?

Reaksi harus berlangsung sedemikian rupa sehingga jumlah neutron tetap konstan sepanjang waktu.

Bagaimana mungkin untuk memastikan bahwa jumlah neutron tetap konstan sepanjang waktu?

– (saran teman-teman)

Untuk mengatasi masalah ini, Anda perlu mengetahui faktor apa saja yang mempengaruhi kenaikan dan penurunan jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium di mana reaksi berantai berlangsung.

(Slide 15)

Salah satu faktor tersebut adalah massa uranium . Faktanya adalah tidak setiap neutron yang dipancarkan selama fisi nuklir menyebabkan fisi inti lainnya. Jika massa (dan, karenanya, ukuran) sepotong uranium terlalu kecil, maka banyak neutron akan terbang keluar darinya, tidak punya waktu untuk bertemu nukleus dalam perjalanan mereka, menyebabkan fisi dan dengan demikian menimbulkan yang baru generasi neutron yang diperlukan untuk melanjutkan reaksi. Dalam hal ini, reaksi berantai akan berhenti. Agar reaksi tidak berhenti, perlu untuk meningkatkan massa uranium ke nilai tertentu ditelepon kritis.

Mengapa reaksi berantai menjadi mungkin dengan peningkatan massa?

Agar reaksi berantai terjadi, diperlukan apa yang disebut faktor perkalian neutron lebih besar dari satu. Dengan kata lain, harus ada lebih banyak neutron di setiap generasi berikutnya daripada yang sebelumnya. Faktor perkalian ditentukan tidak hanya oleh jumlah neutron yang dihasilkan di setiap peristiwa dasar, tetapi juga oleh kondisi di mana reaksi berlangsung - beberapa neutron dapat diserap oleh inti lain atau meninggalkan zona reaksi. Neutron yang dilepaskan selama pembelahan inti uranium-235 hanya dapat menyebabkan pembelahan inti uranium yang sama, yang hanya menghasilkan 0,7% uranium alam. Konsentrasi ini tidak cukup untuk memulai reaksi berantai. Isotop U juga dapat menyerap neutron, tetapi tidak terjadi reaksi berantai.

( Entri buku catatan: Faktor perkalian neutronk - rasio jumlah neutron generasi berikutnya dengan jumlah pada generasi sebelumnya di seluruh volume medium yang mengalikan neutron)

reaksi berantai dalam uranium konten tinggi uranium-235 hanya dapat berkembang ketika massa uranium melebihi apa yang disebut massa kritis. Dalam potongan-potongan kecil uranium, sebagian besar neutron, tanpa menabrak inti apa pun, terbang keluar. Untuk uranium-235 murni, massa kritisnya sekitar 50 kg.

( Entri buku catatan: Massa kritis- jumlah minimum bahan fisil yang diperlukan untuk memulai reaksi berantai fisi mandiri).

(Slide 16)

Massa kritis uranium dapat dikurangi berkali-kali dengan menggunakan apa yang disebut moderator neutron. Faktanya adalah bahwa neutron yang dihasilkan selama peluruhan inti uranium memiliki kecepatan yang terlalu tinggi, dan kemungkinan penangkapan neutron lambat oleh inti uranium-235 ratusan kali lebih besar daripada yang cepat. Moderator neutron terbaik adalah air berat H 2 O. Saat berinteraksi dengan neutron, air biasa sendiri berubah menjadi air berat.

Moderator yang baik juga adalah grafit, yang intinya tidak menyerap neutron. Selama interaksi elastis dengan deuterium atau inti karbon, neutron memperlambat gerakannya.

Penggunaan moderator neutron dan cangkang berilium khusus yang memantulkan neutron memungkinkan pengurangan massa kritis hingga 250 g (0,25 kg).

Entri buku catatan:

Massa kritis dapat dikurangi jika:

Gunakan retarder (grafit, air biasa dan air berat)

Cangkang reflektif (berilium)).

Dan dalam bom atom, hanya reaksi nuklir berantai yang tidak terkendali terjadi ketika koneksi cepat dua buah uranium-235, yang masing-masing memiliki massa sedikit di bawah kritis.

Bom atom adalah senjata yang mengerikan. Faktor-faktor yang merusak antara lain: 1) Radiasi cahaya (termasuk sinar-X dan radiasi termal di sini); 2) gelombang kejut; 3) kontaminasi radiasi di daerah tersebut. Tetapi fisi inti uranium juga digunakan untuk tujuan damai - ini di reaktor nuklir di pembangkit listrik tenaga nuklir. Kami akan mempertimbangkan proses yang terjadi dalam kasus ini dalam pelajaran berikutnya.

Pertengahan abad ke-20 ditentukan oleh percepatan sains: percepatan fantastis, pengenalan pencapaian ilmiah ke dalam produksi dan kehidupan kita. Semua ini membuat kita berpikir - apa yang akan diberikan sains kepada kita besok?
Untuk meringankan semua kesulitan keberadaan manusia - ini adalah tujuan utama dari ilmu yang benar-benar progresif. Untuk membuat umat manusia lebih bahagia - bukan hanya satu, bukan dua, tetapi kemanusiaan. Dan ini sangat penting, karena, seperti yang Anda tahu, sains juga dapat bertindak melawan seseorang. Ledakan atom di kota-kota Jepang - Hiroshima dan Nagasaki adalah contoh tragis dari ini.

Jadi, 1945, Agustus. Kedua Perang Dunia akan segera berakhir.

(geser 2)

Pada 6 Agustus, pukul 1:45 pagi, sebuah pesawat pengebom B-29 Amerika, yang dikomandoi oleh Kolonel Paul Tibbets, lepas landas dari sebuah pulau sekitar 6 jam dari Hiroshima.

(Slide 3)

Hiroshima setelah ledakan atom.

Bayangan siapa yang berkeliaran di sana tanpa terlihat,
Apakah Anda buta karena kemalangan?
Ini adalah tangisan Hiroshima
Awan abu.
Suara siapa yang ada di kegelapan yang panas
Mendengar hiruk pikuk?
Ini adalah tangisan Nagasaki
Di atas tanah yang terbakar
Dalam tangis dan isak tangis ini
Tidak ada kepalsuan
Seluruh dunia membeku dalam antisipasi -
Siapa yang akan menangis selanjutnya?

(Slide 4)

Jumlah korban tewas akibat dampak langsung ledakan tersebut berkisar antara 70 hingga 80 ribu orang. Hingga akhir tahun 1945, akibat dampak pencemaran radioaktif dan dampak pasca ledakan lainnya, jumlah kematian berkisar antara 90 hingga 166 ribu orang. Setelah 5 tahun, jumlah korban tewas mencapai 200.000 orang.

(Slide 5)

Pada tanggal 6 Agustus, setelah menerima berita tentang keberhasilan pengeboman atom Hiroshima, Presiden AS Truman mengumumkan bahwa

“Kami sekarang siap untuk menghancurkan, bahkan lebih cepat dan lebih lengkap dari sebelumnya, semua terestrial kapasitas produksi Jepang di kota mana pun. Kami akan menghancurkan dermaga mereka, pabrik mereka, dan komunikasi mereka. Jangan sampai ada kesalahpahaman - kami akan sepenuhnya menghancurkan kemampuan Jepang untuk berperang."

(Slide 6)

Pukul 02:47 tanggal 9 Agustus, sebuah pesawat pengebom B-29 Amerika di bawah komando Mayor, membawa di atas kapal bom atom, lepas landas dari pulau . Pukul 10:56 B-29 tiba di Nagasaki. Ledakan terjadi pada pukul 11:02 waktu setempat.

(Slide 7)

Korban tewas pada akhir 1945 berkisar antara 60 hingga 80 ribu orang. Setelah 5 tahun, jumlah kematian total, termasuk kematian akibat kanker dan efek jangka panjang lainnya dari ledakan, dapat mencapai atau bahkan melebihi 140.000 orang.

Begitulah ceritanya, sedih dan peringatan

Setiap orang bukanlah sebuah pulau,

setiap orang adalah bagian dari benua besar.
Dan jangan pernah bertanya untuk siapa bel berbunyi.
Dia memanggilmu...

Konsolidasi.

Apa yang kita pelajari di kelas hari ini? (dengan mekanisme pembelahan inti uranium, dengan reaksi berantai)

Apa syarat terjadinya reaksi berantai?

Apa itu massa kritis?

Apa faktor perkaliannya?

Apa yang berfungsi sebagai moderator neutron?

Refleksi.

Dalam suasana hati apa Anda meninggalkan pelajaran?

Evaluasi.

Pekerjaan rumah: hal 74.75, pertanyaan hal. 252-253

Reaksi nuklir. Interaksi partikel dengan inti atom, yang mengarah pada transformasi inti ini menjadi inti baru dengan pelepasan partikel sekunder atau kuanta gamma, disebut reaksi nuklir.

Reaksi nuklir pertama dilakukan oleh Rutherford pada tahun 1919. Ia menemukan bahwa ketika partikel alfa bertabrakan dengan inti atom nitrogen, proton yang bergerak cepat akan terbentuk. Ini berarti bahwa inti isotop nitrogen, sebagai akibat dari tumbukan dengan partikel alfa, berubah menjadi inti isotop oksigen:

Reaksi nuklir dapat berlangsung dengan pelepasan atau penyerapan energi. Menggunakan hukum hubungan antara massa dan energi, hasil energi dari reaksi nuklir dapat ditentukan dengan menemukan perbedaan antara massa partikel yang masuk ke dalam reaksi dan produk reaksi:

Reaksi berantai pembelahan inti uranium. Di antara berbagai reaksi nuklir, terutama pentingnya dalam kehidupan masyarakat manusia modern terjadi reaksi berantai dari pembelahan beberapa inti berat.

Reaksi fisi inti uranium selama pemboman mereka dengan neutron ditemukan pada tahun 1939. Sebagai hasil eksperimen dan penelitian teoretis dilakukan oleh E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, ditemukan bahwa ketika satu neutron memasuki inti uranium, inti dibagi menjadi dua tiga bagian.

Fisi satu inti uranium melepaskan energi sekitar 200 MeV. Energi kinetik dari pergerakan inti fragmen menyumbang sekitar 165 MeV, sisa energi dibawa pergi oleh gamma kuanta.

Mengetahui energi yang dilepaskan selama fisi satu inti uranium, kita dapat menghitung bahwa hasil energi dari fisi semua inti 1 kg uranium adalah 80 ribu miliar joule. Ini beberapa juta kali lebih banyak daripada yang dilepaskan saat membakar 1 kg batu bara atau minyak. Oleh karena itu, dilakukan pencarian cara untuk melepaskan energi nuklir dalam jumlah yang signifikan untuk digunakan untuk tujuan praktis.

F. Joliot-Curie adalah orang pertama yang menyarankan kemungkinan reaksi berantai nuklir pada tahun 1934. Pada tahun 1939, bersama dengan H. Halban dan L. Kovarsky, ia secara eksperimental menemukan bahwa selama fisi inti uranium, selain fragmen-inti , 2 -3 neutron bebas. Dalam kondisi yang menguntungkan, neutron ini dapat menabrak inti uranium lainnya dan menyebabkan mereka fisi. Selama fisi tiga inti uranium, 6-9 neutron baru harus dilepaskan, mereka akan jatuh ke inti uranium baru, dll. Skema untuk pengembangan reaksi berantai fisi inti uranium ditunjukkan pada Gambar 316.

Beras. 316

Implementasi praktis dari reaksi berantai tidak seperti itu tugas sederhana bagaimana tampilannya pada diagram. Neutron yang dilepaskan selama pembelahan inti uranium hanya mampu menyebabkan pembelahan inti isotop uranium dengan nomor massa 235, sedangkan energinya tidak cukup untuk menghancurkan inti isotop uranium dengan nomor massa 238. Dalam uranium alam, uranium dengan nomor massa 238 menyumbang 99,8%, sedangkan uranium dengan nomor massa 235 hanya menyumbang 0,7%. Oleh karena itu, yang pertama kemungkinan jalan pelaksanaan reaksi berantai fisi dikaitkan dengan pemisahan isotop uranium dan diperoleh dalam bentuk murni dalam jumlah yang cukup jumlah besar isotop. Kondisi yang diperlukan untuk pelaksanaan reaksi berantai adalah adanya uranium dalam jumlah yang cukup besar, karena dalam sampel kecil, sebagian besar neutron terbang melalui sampel tanpa menabrak inti apa pun. Massa minimum uranium di mana reaksi berantai dapat terjadi disebut massa kritis. Massa kritis untuk uranium-235 adalah beberapa puluh kilogram.

Cara paling sederhana untuk melakukan reaksi berantai dalam uranium-235 adalah sebagai berikut: dua potong logam uranium dibuat, masing-masing dengan massa sedikit lebih kecil dari yang kritis. Reaksi berantai di masing-masing secara terpisah tidak bisa berjalan. Dengan koneksi yang cepat dari potongan-potongan ini, reaksi berantai berkembang dan energi yang sangat besar dilepaskan. Suhu uranium mencapai jutaan derajat, uranium itu sendiri dan zat lain yang ada di dekatnya berubah menjadi uap. Bola gas panas mengembang dengan cepat, membakar dan menghancurkan segala sesuatu yang dilaluinya. Ini adalah bagaimana ledakan nuklir terjadi.

Sangat sulit untuk menggunakan energi ledakan nuklir untuk tujuan damai, karena pelepasan energi dalam hal ini tidak dapat dikendalikan. Reaksi berantai terkendali dari fisi inti uranium dilakukan dalam reaktor nuklir.

Reaktor nuklir. Reaktor nuklir pertama adalah reaktor neutron lambat (Gbr. 317). Sebagian besar neutron yang dilepaskan selama fisi inti uranium memiliki energi 1-2 MeV. Pada saat yang sama, kecepatan mereka sama dengan sekitar 107 m / s, oleh karena itu mereka disebut neutron cepat. Pada energi seperti itu, neutron berinteraksi dengan inti uranium dan uranium dengan efisiensi yang kira-kira sama. Dan karena ada 140 kali lebih banyak inti uranium dalam uranium alami daripada inti uranium, sebagian besar neutron ini diserap oleh inti uranium dan reaksi berantai tidak berkembang. Neutron yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan gerak termal (sekitar 2·10 3 m/s) disebut lambat atau termal. Neutron lambat berinteraksi dengan baik dengan inti uranium-235 dan diserap oleh mereka 500 kali lebih efisien daripada yang cepat. Oleh karena itu, ketika uranium alam disinari dengan neutron lambat, kebanyakan dari mereka diserap bukan di inti uranium-238, tetapi di inti uranium-235 dan menyebabkan fisi mereka. Akibatnya, untuk pengembangan reaksi berantai dalam uranium alam, kecepatan neutron harus dikurangi menjadi termal.

Beras. 317

Perlambatan neutron terjadi sebagai akibat dari tumbukan dengan inti atom lingkungan tempat mereka bergerak. Untuk memperlambat neutron dalam reaktor, zat khusus yang disebut moderator digunakan. Inti atom zat moderator harus memiliki massa yang relatif kecil, karena dalam tumbukan dengan inti ringan, neutron kehilangan lebih banyak energi daripada dalam tumbukan dengan inti yang berat. Moderator yang paling umum adalah air biasa dan grafit.

Ruang di mana reaksi berantai berlangsung disebut teras reaktor. Untuk mengurangi kebocoran neutron, teras reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron, yang melemparkan sebagian besar neutron yang dipancarkan ke dalam teras. Reflektor biasanya bahan yang sama yang berfungsi sebagai moderator.

Energi yang dilepaskan selama pengoperasian reaktor dihilangkan menggunakan pendingin. Hanya cairan dan gas yang tidak memiliki kemampuan menyerap neutron yang dapat digunakan sebagai pendingin. Air biasa banyak digunakan sebagai pendingin, terkadang karbon dioksida dan bahkan natrium logam cair digunakan.

Reaktor dikendalikan dengan menggunakan batang kendali (atau kendali) khusus yang dimasukkan ke dalam teras reaktor. Batang kendali terbuat dari senyawa boron atau kadmium, yang menyerap neutron termal dengan efisiensi yang sangat tinggi. Sebelum memulai pengoperasian reaktor, mereka sepenuhnya dimasukkan ke dalam intinya. Menyerap sebagian besar neutron, mereka membuat tidak mungkin untuk mengembangkan reaksi berantai. Untuk memulai reaktor, batang kendali secara bertahap ditarik dari teras sampai pelepasan energi mencapai tingkat yang telah ditentukan. Ketika daya meningkat di atas level yang ditetapkan, automata dinyalakan, membenamkan batang kendali ke kedalaman zona aktif.

Energi nuklir. Energi nuklir untuk layanan perdamaian ditempatkan untuk pertama kalinya di negara kita. Akademisi Igor Vasilievich Kurchatov (1903-1960) adalah penyelenggara dan pemimpin pertama pekerjaan pada ilmu dan teknologi atom di Uni Soviet.

Saat ini, yang terbesar di Uni Soviet dan di Eropa, PLTN Leningrad. DI DAN. Lenin memiliki kapasitas 4000 MW, yaitu 800 kali kekuatan pembangkit listrik tenaga nuklir pertama.

Biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir besar lebih rendah daripada biaya listrik yang dihasilkan di pembangkit listrik termal. Oleh karena itu, energi nuklir berkembang dengan kecepatan yang dipercepat.

reaktor nuklir digunakan sebagai pembangkit listrik kapal laut. Kapal damai pertama di dunia dengan pembangkit listrik tenaga nuklir, pemecah es nuklir Lenin, dibangun di Uni Soviet pada tahun 1959.

Kapal pemecah es bertenaga nuklir Soviet Arktika, yang dibangun pada tahun 1975, menjadi kapal permukaan pertama di dunia yang mencapai Kutub Utara.

reaksi termonuklir. Energi nuklir dilepaskan tidak hanya di reaksi nuklir fisi inti berat, tetapi juga dalam reaksi penggabungan inti atom ringan.

Untuk menghubungkan proton yang bermuatan serupa, perlu untuk mengatasi gaya tolak Coulomb, yang mungkin terjadi pada partikel yang bertabrakan dengan kecepatan yang cukup tinggi. Kondisi yang diperlukan untuk sintesis inti helium dari proton tersedia di bagian dalam bintang. Di Bumi, reaksi fusi termonuklir telah dilakukan dalam eksperimen ledakan termonuklir.

Sintesis helium dari isotop ringan hidrogen terjadi pada suhu sekitar 108 K, dan untuk sintesis helium dari isotop berat hidrogen - deuterium dan tritium - sesuai dengan skema

pemanasan hingga sekitar 5 10 7 K diperlukan.

Selama sintesis 1 g helium dari deuterium dan tritium, energi 4,2·10 11 J dilepaskan ketika 10 ton solar dibakar.

Cadangan hidrogen di Bumi praktis tidak ada habisnya, sehingga penggunaan energi fusi untuk tujuan damai adalah salah satu tugas kritis ilmu pengetahuan modern dan teknologi.

Reaksi termonuklir terkontrol dari sintesis helium dari isotop hidrogen berat dengan pemanasan seharusnya dilakukan dengan melewatkan arus listrik melalui plasma. Medan magnet digunakan untuk menjaga plasma yang dipanaskan agar tidak menyentuh dinding ruang. Di fasilitas eksperimental Tokamak-10, fisikawan Soviet berhasil memanaskan plasma hingga suhu 13 juta derajat. Hidrogen dapat dipanaskan ke suhu yang lebih tinggi menggunakan radiasi laser. Untuk melakukan ini, berkas cahaya dari beberapa laser harus difokuskan pada bola kaca, yang di dalamnya terdapat campuran isotop berat deuterium dan tritium. Dalam percobaan pada instalasi laser, plasma dengan suhu beberapa puluh juta derajat telah diperoleh.