Qual è la ragione della fissione dei nuclei di uranio. Fissione del nucleo di uranio

Classe

Lezione n. 42-43

Reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio. Energia nucleare ed ecologia. Radioattività. Metà vita.

Reazioni nucleari

Una reazione nucleare è un processo di interazione nucleo atomico con un altro nucleo o particella elementare, accompagnato da un cambiamento nella composizione e struttura del nucleo e dal rilascio di particelle secondarie o γ-quanta.

Come risultato delle reazioni nucleari, possono formarsi nuovi isotopi radioattivi che non si trovano sulla Terra vivo.

La prima reazione nucleare fu condotta da E. Rutherford nel 1919 in esperimenti per rilevare i protoni nei prodotti di decadimento nucleare (vedi § 9.5). Rutherford ha bombardato gli atomi di azoto con particelle alfa. Quando le particelle si sono scontrate, si è verificata una reazione nucleare, che è avvenuta secondo il seguente schema:

Durante le reazioni nucleari, diversi leggi di conservazione: quantità di moto, energia, momento angolare, carica. Oltre a queste leggi di conservazione classiche, la cosiddetta legge di conservazione vale nelle reazioni nucleari. carica barionica(cioè il numero di nucleoni - protoni e neutroni). Una serie di altre leggi di conservazione specifiche per fisica Nucleare e fisica delle particelle elementari.

Le reazioni nucleari possono procedere quando gli atomi sono bombardati da particelle a carica rapida (protoni, neutroni, particelle α, ioni). La prima reazione di questo tipo è stata effettuata utilizzando protoni ad alta energia ottenuti all'acceleratore nel 1932:

dove M A e M B sono le masse dei prodotti iniziali, M C e M D sono le masse prodotti finali reazioni. Viene chiamato il valore ΔM difetto di massa. Le reazioni nucleari possono procedere con il rilascio (Q > 0) o con l'assorbimento di energia (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Affinché una reazione nucleare abbia un rendimento energetico positivo, energia di legame specifica nucleoni nei nuclei dei prodotti iniziali devono essere inferiori all'energia di legame specifica dei nucleoni nei nuclei dei prodotti finali. Ciò significa che ΔM deve essere positivo.

Ci sono due fondamentali vari modi rilascio di energia nucleare.

1. Fissione di nuclei pesanti. In contrasto con il decadimento radioattivo dei nuclei, accompagnato dall'emissione di particelle α o β, le reazioni di fissione sono un processo in cui un nucleo instabile è diviso in due grandi frammenti di masse comparabili.

Nel 1939, gli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann scoprirono la fissione dei nuclei di uranio. Continuando la ricerca iniziata da Fermi, hanno scoperto che quando l'uranio viene bombardato con neutroni, gli elementi della parte centrale sistema periodico– isotopi radioattivi di bario (Z = 56), krypton (Z = 36), ecc.

L'uranio si presenta in natura sotto forma di due isotopi: (99,3%) e (0,7%). Quando vengono bombardati da neutroni, i nuclei di entrambi gli isotopi possono dividersi in due frammenti. In questo caso, la reazione di fissione procede più intensamente con neutroni lenti (termici), mentre i nuclei entrano in una reazione di fissione solo con neutroni veloci con un'energia dell'ordine di 1 MeV.

Interesse principale per energia nucleare rappresenta la reazione di fissione di un nucleo Attualmente sono noti circa 100 diversi isotopi con numeri di massa da circa 90 a 145, derivanti dalla fissione di questo nucleo. Due tipiche reazioni di fissione di questo nucleo hanno la forma:

Si noti che come risultato della fissione nucleare avviata da un neutrone, vengono prodotti nuovi neutroni che possono causare reazioni di fissione in altri nuclei. I prodotti di fissione dei nuclei di uranio-235 possono essere anche altri isotopi di bario, xeno, stronzio, rubidio, ecc.

L'energia cinetica rilasciata durante la fissione di un nucleo di uranio è enorme - circa 200 MeV. L'energia rilasciata durante la fissione nucleare può essere stimata utilizzando energia di legame specifica nucleoni nel nucleo. L'energia di legame specifica dei nucleoni nei nuclei con numero di Massa A ≈ 240 è circa 7,6 MeV/nucleone, mentre nei nuclei con numero di massa A = 90–145 l'energia specifica è approssimativamente uguale a 8,5 MeV/nucleone. Pertanto, la fissione di un nucleo di uranio rilascia un'energia dell'ordine di 0,9 MeV/nucleone, o circa 210 MeV per atomo di uranio. Con la completa fissione di tutti i nuclei contenuti in 1 g di uranio, viene rilasciata la stessa energia che durante la combustione di 3 tonnellate di carbone o 2,5 tonnellate di petrolio.

I prodotti di fissione del nucleo di uranio sono instabili, poiché contengono un numero significativo di neutroni in eccesso. Infatti, il rapporto N / Z per i nuclei più pesanti è di circa 1,6 (Fig. 9.6.2), per i nuclei con numeri di massa da 90 a 145 questo rapporto è di circa 1,3–1,4. Pertanto, i nuclei dei frammenti subiscono una serie di β - decadimenti successivi, a seguito dei quali aumenta il numero di protoni nel nucleo e il numero di neutroni diminuisce fino a formare un nucleo stabile.

Nella fissione di un nucleo di uranio-235, che è causata da una collisione con un neutrone, vengono rilasciati 2 o 3 neutroni. In condizioni favorevoli questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio e provocarne la fissione. In questa fase appariranno già da 4 a 9 neutroni, in grado di causare nuovi decadimenti di nuclei di uranio, ecc. Un tale processo simile a una valanga è chiamato reazione a catena. Schema di sviluppo reazione a catena la fissione dei nuclei di uranio è mostrata in fig. 9.8.1.

Figura 9.8.1. Schema di sviluppo di una reazione a catena.

Perché avvenga una reazione a catena, è necessario che il cosiddetto fattore di moltiplicazione dei neutroni era maggiore di uno. In altre parole, dovrebbero esserci più neutroni in ogni generazione successiva rispetto a quella precedente. Il fattore di moltiplicazione è determinato non solo dal numero di neutroni prodotti in ciascun evento elementare, ma anche dalle condizioni in cui procede la reazione: alcuni neutroni possono essere assorbiti da altri nuclei o lasciare la zona di reazione. I neutroni rilasciati durante la fissione dei nuclei di uranio-235 possono causare solo la fissione dei nuclei dello stesso uranio, che rappresenta solo lo 0,7% dell'uranio naturale. Questa concentrazione è insufficiente per avviare una reazione a catena. Un isotopo può anche assorbire neutroni, ma non si verifica alcuna reazione a catena.

reazione a catena nell'uranio alto contenuto l'uranio-235 può svilupparsi solo quando la massa dell'uranio supera il cosiddetto massa critica. In piccoli pezzi di uranio, la maggior parte dei neutroni, senza colpire alcun nucleo, vola via. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di circa 50 kg. La massa critica dell'uranio può essere ridotta molte volte utilizzando il cosiddetto moderatori neutroni. Il fatto è che i neutroni prodotti durante il decadimento dei nuclei di uranio hanno velocità troppo elevate e la probabilità di cattura di neutroni lenti da parte dei nuclei di uranio-235 è centinaia di volte maggiore di quella di quelli veloci. Il miglior moderatore di neutroni è Acqua pesante D 2 O. Quando interagisce con i neutroni, l'acqua ordinaria stessa si trasforma in acqua pesante.

Un buon moderatore è anche la grafite, i cui nuclei non assorbono i neutroni. In caso di interazione elastica con deuterio o nuclei di carbonio, i neutroni vengono rallentati a velocità termiche.

L'uso di moderatori di neutroni e uno speciale guscio di berillio che riflette i neutroni consente di ridurre la massa critica a 250 g.

A bombe atomiche reazione a catena nucleare incontrollata si verifica quando connessione veloce due pezzi di uranio-235, ciascuno dei quali ha una massa leggermente inferiore a quella critica.

Viene chiamato un dispositivo che mantiene una reazione di fissione nucleare controllata nucleare(o atomico) reattore. Lo schema di un reattore nucleare su neutroni lenti è mostrato in fico. 9.8.2.

Figura 9.8.2. Schema del dispositivo di un reattore nucleare.

La reazione nucleare avviene nel nocciolo del reattore, che viene riempito con un moderatore e perforato con barre contenenti una miscela arricchita di isotopi di uranio ad alto contenuto di uranio-235 (fino al 3%). Nel nucleo vengono introdotte barre di controllo contenenti cadmio o boro, che assorbono intensamente i neutroni. L'introduzione di aste nel nucleo consente di controllare la velocità della reazione a catena.

Il nucleo è raffreddato da un liquido di raffreddamento pompato, che può essere acqua o un metallo con un basso punto di fusione (ad esempio il sodio, che ha un punto di fusione di 98 °C). Nel generatore di vapore, il liquido di raffreddamento si trasferisce energia termica acqua, trasformandola in vapore alta pressione. Il vapore viene inviato ad una turbina collegata ad un generatore elettrico. Dalla turbina, il vapore entra nel condensatore. Per evitare perdite di irraggiamento, i circuiti del liquido di raffreddamento I e del generatore di vapore II funzionano a cicli chiusi.

La turbina di una centrale nucleare è un motore termico che determina l'efficienza complessiva dell'impianto secondo il secondo principio della termodinamica. Per le moderne centrali nucleari, l'efficienza è approssimativamente uguale, quindi, per la produzione di 1000 MW energia elettrica la potenza termica del reattore dovrebbe raggiungere i 3000 MW. 2000 MW devono essere portati via dall'acqua che raffredda il condensatore. Ciò porta al surriscaldamento locale dei corpi idrici naturali e alla conseguente comparsa di problemi ambientali.

Tuttavia, il problema principale consiste nel garantire la completa sicurezza dalle radiazioni delle persone che lavorano nelle centrali nucleari e prevenire il rilascio accidentale di sostanze radioattive che si accumulano in grandi quantità nel nocciolo del reattore. Molta attenzione è rivolta a questo problema nello sviluppo dei reattori nucleari. Tuttavia, dopo gli incidenti di alcune centrali nucleari, in particolare della centrale nucleare della Pennsylvania (USA, 1979) e della centrale nucleare di Chernobyl (1986), il problema della sicurezza dell'energia nucleare è diventato particolarmente acuto.

Insieme al reattore nucleare sopra descritto funzionante a neutroni lenti, sono di grande interesse pratico i reattori operanti senza un moderatore a neutroni veloci. In tali reattori, il combustibile nucleare è una miscela arricchita contenente almeno il 15% dell'isotopo.Il vantaggio dei reattori a neutroni veloci è che durante il loro funzionamento, i nuclei di uranio-238, assorbendo neutroni, attraverso due successivi decadimenti β - vengono convertiti in plutonio nuclei, che sono quindi utilizzabili come combustibile nucleare:

Il rapporto di riproduzione di tali reattori raggiunge 1,5, ovvero per 1 kg di uranio-235 si ottengono fino a 1,5 kg di plutonio. Anche i reattori convenzionali producono plutonio, ma in quantità molto minori.

Il primo reattore nucleare fu costruito nel 1942 negli USA sotto la guida di E. Fermi. Nel nostro paese, il primo reattore fu costruito nel 1946 sotto la guida di IV Kurchatov.

2. reazioni termonucleari. Il secondo modo per rilasciare energia nucleare è associato alle reazioni di fusione. Durante la fusione di nuclei leggeri e la formazione di un nuovo nucleo, dovrebbe essere rilasciata una grande quantità di energia. Questo può essere visto dalla dipendenza dell'energia di legame specifica dal numero di massa A (Fig. 9.6.1). Fino a nuclei con un numero di massa di circa 60, l'energia di legame specifica dei nucleoni aumenta all'aumentare di A. Pertanto, la fusione di qualsiasi nucleo con A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Si chiamano reazioni di fusione dei nuclei leggeri reazioni termonucleari, in quanto possono fluire solo a temperature molto elevate. Affinché due nuclei entrino in una reazione di fusione, devono avvicinarsi a una distanza di azione delle forze nucleari dell'ordine di 2,10 -15 m, superando la repulsione elettrica delle loro cariche positive. Per questo, l'energia cinetica media moto termico le molecole devono superare l'energia potenziale dell'interazione di Coulomb. Il calcolo della temperatura necessaria T per questo porta a un valore dell'ordine di 10 8 –10 9 K. Questa è una temperatura estremamente elevata. A questa temperatura, la sostanza è in uno stato completamente ionizzato, che viene chiamato plasma.

L'energia rilasciata nelle reazioni termonucleari per nucleone è diverse volte superiore all'energia specifica rilasciata nelle reazioni a catena della fissione nucleare. Quindi, ad esempio, nella reazione di fusione dei nuclei di deuterio e trizio

Viene rilasciato 3,5 MeV/nucleone. In totale, in questa reazione vengono rilasciati 17,6 MeV. Questa è una delle reazioni termonucleari più promettenti.

Implementazione reazioni termonucleari controllate darà all'umanità una nuova fonte di energia rispettosa dell'ambiente e praticamente inesauribile. Tuttavia, ottenere temperature ultraelevate e confinare plasma riscaldato a un miliardo di gradi è il compito scientifico e tecnico più difficile sulla strada per l'implementazione del controllo termico fusione nucleare.

Sul questa fase lo sviluppo della scienza e della tecnologia è stato solo reazione di fusione incontrollata in una bomba all'idrogeno. L'elevata temperatura richiesta per la fusione nucleare si ottiene qui facendo esplodere una convenzionale bomba all'uranio o al plutonio.

Le reazioni termonucleari svolgono un ruolo estremamente importante nell'evoluzione dell'Universo. L'energia di radiazione del Sole e delle stelle è di origine termonucleare.

Radioattività

Quasi il 90% dei 2500 nuclei atomici conosciuti sono instabili. Un nucleo instabile si trasforma spontaneamente in altri nuclei con l'emissione di particelle. Questa proprietà dei nuclei è chiamata radioattività. Per i nuclei grandi, l'instabilità sorge a causa della competizione tra l'attrazione dei nucleoni da parte delle forze nucleari e la repulsione coulombiana dei protoni. Non esistono nuclei stabili con numero di carica Z > 83 e numero di massa A > 209. Ma possono risultare radioattivi anche nuclei atomici con numeri Z e A significativamente inferiori. Se il nucleo contiene significativamente più protoni rispetto ai neutroni, si verifica instabilità da un eccesso dell'energia di interazione di Coulomb. I nuclei, che conterrebbero un grande eccesso di neutroni rispetto al numero di protoni, sono instabili a causa del fatto che la massa del neutrone supera la massa del protone. Un aumento della massa del nucleo porta ad un aumento della sua energia.

Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 dal fisico francese A. Becquerel, il quale scoprì che i sali di uranio emettono radiazioni sconosciute che possono penetrare attraverso barriere opache alla luce e causare annerimento dell'emulsione fotografica. Due anni dopo, i fisici francesi M. e P. Curie scoprirono la radioattività del torio e scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio

Negli anni successivi, molti fisici, tra cui E. Rutherford ei suoi studenti, furono impegnati nello studio della natura delle radiazioni radioattive. Si è scoperto che i nuclei radioattivi possono emettere particelle di tre tipi: caricate positivamente e negativamente e neutre. Questi tre tipi di radiazioni sono stati chiamati radiazioni α, β e γ. Sulla fig. 9.7.1 mostra lo schema dell'esperimento, che consente di rilevare la complessa composizione della radiazione radioattiva. In un campo magnetico, i raggi α e β deviano in direzioni opposte e i raggi β deviano molto di più. I raggi γ in un campo magnetico non deviano affatto.

Questi tre tipi di radiazioni radioattive differiscono notevolmente tra loro per la loro capacità di ionizzare gli atomi della materia e, di conseguenza, per il loro potere di penetrazione. La radiazione α ha il potere di penetrazione minore. Nell'aria, in condizioni normali, i raggi α percorrono una distanza di diversi centimetri. I raggi β sono molto meno assorbiti dalla materia. Sono in grado di passare attraverso uno strato di alluminio spesso diversi millimetri. I raggi γ hanno il più alto potere di penetrazione, essendo in grado di passare attraverso uno strato di piombo spesso 5–10 cm.

Nel secondo decennio del XX secolo dopo la scoperta di E. Rutherford struttura nucleare atomi, è stato fermamente stabilito che la radioattività è proprietà dei nuclei atomici. Gli studi hanno dimostrato che i raggi α rappresentano un flusso di particelle α - nuclei di elio, i raggi β sono un flusso di elettroni, i raggi γ rappresentano un'onda corta radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda estremamente corta λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Decadimento alfa. Il decadimento alfa è la trasformazione spontanea di un nucleo atomico con il numero di protoni Z e neutroni N in un altro nucleo (figlia) contenente il numero di protoni Z - 2 e neutroni N - 2. In questo caso, viene emessa una particella α - il nucleo di un atomo di elio. Un esempio di tale processo è il decadimento α del radio:

Le particelle alfa emesse dai nuclei degli atomi di radio furono usate da Rutherford in esperimenti sulla dispersione da parte dei nuclei degli elementi pesanti. La velocità delle particelle α emesse durante il decadimento α dei nuclei di radio, misurata lungo la curvatura della traiettoria in un campo magnetico, è approssimativamente pari a 1,5 10 7 m/s, e la corrispondente energia cinetica è di circa 7,5 10 -13 J (circa 4,8 MeV). Questo valore può essere facilmente determinato da valori noti masse dei nuclei genitore e figlio e del nucleo dell'elio. Sebbene la velocità della particella α espulsa sia enorme, è ancora solo il 5% della velocità della luce, quindi il calcolo può utilizzare un'espressione non relativistica per l'energia cinetica.

Gli studi hanno dimostrato che una sostanza radioattiva può emettere particelle α con diversi valori energetici discreti. Ciò è spiegato dal fatto che i nuclei possono essere, come gli atomi, in diversi stati eccitati. Un nucleo figlia può trovarsi in uno di questi stati eccitati durante il decadimento α. Durante la successiva transizione di questo nucleo allo stato fondamentale, viene emesso un quanto γ. Lo schema di decadimento α del radio con l'emissione di particelle α con due valori di energie cinetiche è mostrato in fig. 9.7.2.

Pertanto, il decadimento α dei nuclei è in molti casi accompagnato da radiazioni γ.

Nella teoria del decadimento α, si presume che gruppi costituiti da due protoni e due neutroni, cioè una particella α, possano formarsi all'interno dei nuclei. Il nucleo genitore è per le particelle α potenziale bene, che è limitato potenziale barriera. L'energia della particella α nel nucleo è insufficiente per superare questa barriera (Fig. 9.7.3). L'espulsione di una particella α dal nucleo è possibile solo a causa di un fenomeno quantomeccanico chiamato effetto tunnel. Secondo la meccanica quantistica, esiste una probabilità diversa da zero che una particella passi sotto una barriera potenziale. Il fenomeno del tunneling ha carattere probabilistico.

Decadimento beta. Nel decadimento beta, un elettrone viene emesso dal nucleo. All'interno dei nuclei gli elettroni non possono esistere (vedi § 9.5), sorgono durante il decadimento β come risultato della trasformazione di un neutrone in un protone. Questo processo può verificarsi non solo all'interno del nucleo, ma anche con neutroni liberi. La vita media di un neutrone libero è di circa 15 minuti. Quando un neutrone decade in un protone e un elettrone

Le misurazioni hanno mostrato che in questo processo c'è un'apparente violazione della legge di conservazione dell'energia, poiché l'energia totale del protone e dell'elettrone derivante dal decadimento del neutrone è inferiore all'energia del neutrone. Nel 1931, W. Pauli suggerì che durante il decadimento di un neutrone venga rilasciata un'altra particella con massa e carica zero, che porta con sé parte dell'energia. La nuova particella è denominata neutrino(piccolo neutrone). A causa dell'assenza di carica e massa in un neutrino, questa particella interagisce molto debolmente con gli atomi della materia, quindi è estremamente difficile rilevarla in un esperimento. La capacità ionizzante dei neutrini è così piccola che un atto di ionizzazione nell'aria cade su circa 500 km del percorso. Questa particella è stata scoperta solo nel 1953. Attualmente è noto che esistono diverse varietà di neutrini. Nel processo di decadimento dei neutroni, viene prodotta una particella, che viene chiamata antineutrino elettronico. È indicato dal simbolo Pertanto, la reazione di decadimento del neutrone è scritta come

Un processo simile si verifica anche all'interno dei nuclei durante il decadimento β. Un elettrone formato come risultato del decadimento di uno dei neutroni nucleari viene immediatamente espulso dalla "casa madre" (nucleo) a una velocità tremenda, che può differire dalla velocità della luce solo di una frazione di punto percentuale. Poiché la distribuzione dell'energia rilasciata durante il decadimento β tra un elettrone, un neutrino e un nucleo figlio è casuale, gli elettroni β possono avere velocità diverse su un ampio intervallo.

Durante il decadimento β, il numero di carica Z aumenta di uno, mentre il numero di massa A rimane invariato. Il nucleo figlio risulta essere il nucleo di uno degli isotopi dell'elemento, il cui numero di serie nella tavola periodica è uno superiore al numero di serie del nucleo originario. Un tipico esempio Il decadimento β può servire come trasformazione dell'isotone del torio derivante dal decadimento α dell'uranio in palladio

Decadimento gamma. A differenza della radioattività α e β, la radioattività γ dei nuclei non è associata a un cambiamento nella struttura interna del nucleo e non è accompagnata da un cambiamento nella carica o nel numero di massa. Sia nel decadimento α che in quello β, il nucleo figlio può trovarsi in uno stato eccitato e avere un eccesso di energia. Il passaggio del nucleo dallo stato eccitato allo stato fondamentale è accompagnato dall'emissione di uno o più γ-quanta, la cui energia può raggiungere diversi MeV.

Legge del decadimento radioattivo. Qualsiasi campione di materiale radioattivo contiene un numero enorme di atomi radioattivi. Poiché il decadimento radioattivo è casuale e non dipende da condizioni esterne, allora la legge di diminuzione del numero N(t) di k non decaduto momento presente il tempo t dei nuclei può servire come un'importante caratteristica statistica del processo di decadimento radioattivo.

Lascia che il numero di nuclei non decomposti N(t) cambi di ΔN in un breve periodo di tempo Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Il coefficiente di proporzionalità λ è la probabilità del decadimento del nucleo nel tempo Δt = 1 s. Questa formula significa che la velocità di variazione della funzione N(t) è direttamente proporzionale alla funzione stessa.

dove N 0 è il numero iniziale di nuclei radioattivi a t = 0. Durante il tempo τ = 1 / λ, il numero di nuclei non decomposti diminuirà di e ≈ 2,7 volte. Viene chiamato il valore τ vita media nucleo radioattivo.

Per un uso pratico, è conveniente scrivere la legge del decadimento radioattivo in una forma diversa, usando il numero 2 come base e non e:

Viene chiamato il valore di T metà vita. Durante il tempo T, la metà del numero iniziale di nuclei radioattivi decade. I valori di T e τ sono legati dalla relazione

L'emivita è la principale grandezza che caratterizza il tasso di decadimento radioattivo. Più breve è l'emivita, più intenso è il decadimento. Pertanto, per l'uranio T ≈ 4,5 miliardi di anni e per il radio T ≈ 1600 anni. Pertanto, l'attività del radio è molto più alta di quella dell'uranio. Esistono elementi radioattivi con un'emivita di una frazione di secondo.

Non si trova in condizioni naturali e termina nel bismuto Questa serie di decadimenti radioattivi si verifica in reattori nucleari .

Un'applicazione interessante la radioattività è un metodo per datare reperti archeologici e geologici mediante la concentrazione di isotopi radioattivi. Il metodo più utilizzato è la datazione al radiocarbonio. Non isotopo stabile il carbonio si verifica nell'atmosfera a causa delle reazioni nucleari causate dai raggi cosmici. Una piccola percentuale di questo isotopo si trova nell'aria insieme al solito isotopo stabile.Le piante e altri organismi consumano carbonio dall'aria e accumulano entrambi gli isotopi nella stessa proporzione che fanno nell'aria. Dopo che le piante muoiono, smettono di consumare carbonio e, a causa del decadimento β, l'isotopo instabile si trasforma gradualmente in azoto con un'emivita di 5730 anni. strada misurazione accurata La concentrazione relativa di carbonio radioattivo nei resti di organismi antichi può determinare l'ora della loro morte.

Radiazioni radioattive di ogni tipo (alfa, beta, gamma, neutroni), nonché radiazioni elettromagnetiche ( raggi X) hanno un effetto biologico molto forte sugli organismi viventi, che consiste nei processi di eccitazione e ionizzazione di atomi e molecole che compongono le cellule viventi. Sotto l'azione delle radiazioni ionizzanti, le molecole complesse e le strutture cellulari vengono distrutte, il che porta a danni da radiazioni al corpo. Pertanto, quando si lavora con qualsiasi fonte di radiazioni, è necessario adottare tutte le misure per radioprotezione persone che possono essere esposte alle radiazioni.

Tuttavia, una persona può essere esposta a radiazioni ionizzanti e condizioni di vita. Il radon, gas inerte, incolore, radioattivo, può rappresentare un serio pericolo per la salute umana, come si può vedere dal diagramma di Fig. 9.7.5, il radon è un prodotto del decadimento α del radio e ha un'emivita T = 3,82 giorni. Il radio si trova in piccole quantità nel suolo, nelle rocce e vari strutture edilizie. Nonostante la durata relativamente breve, la concentrazione di radon viene continuamente reintegrata a causa di nuovi decadimenti dei nuclei di radio, quindi il radon può accumularsi in spazi chiusi. Entrando nei polmoni, il radon emette particelle α e si trasforma in polonio, che non è una sostanza chimicamente inerte. Segue una catena di trasformazioni radioattive della serie dell'uranio (Fig. 9.7.5). Secondo la Commissione americana per la sicurezza e il controllo delle radiazioni, una persona media riceve il 55% di radiazioni ionizzanti dal radon e solo l'11% dal servizi medici. Il contributo dei raggi cosmici è di circa l'8%. La dose totale di radiazioni che una persona riceve in una vita è molte volte inferiore dose massima consentita(SDA), che è stabilito per le persone di determinate professioni esposte a un'esposizione aggiuntiva alle radiazioni ionizzanti.

Reazioni di fissione nucleare- reazioni di fissione, che consistono nel fatto che un nucleo pesante sotto l'influenza dei neutroni e, come si è poi scoperto, altre particelle, è diviso in diversi nuclei più leggeri (frammenti), molto spesso in due nuclei di massa ravvicinata.

Una caratteristica della fissione nucleare è che è accompagnata dall'emissione di due o tre neutroni secondari, chiamati neutroni di fissione. Poiché per nuclei medi il numero di neutroni è approssimativamente uguale al numero di protoni ( N/Z ≈ 1), e per i nuclei pesanti, il numero di neutroni supera significativamente il numero di protoni ( N/Z ≈ 1.6), quindi i frammenti di fissione risultanti vengono sovraccaricati di neutroni, a seguito dei quali rilasciano neutroni di fissione. Tuttavia, l'emissione di neutroni di fissione non elimina completamente il sovraccarico di nuclei di frammenti da parte dei neutroni. Ciò porta al fatto che i frammenti sono radioattivi. Possono subire una serie di β - -trasformazioni, accompagnate dall'emissione di γ-quanta. Poiché β - -decadimento è accompagnato dalla trasformazione di un neutrone in un protone, allora dopo una catena di β - -trasformazioni, il rapporto tra neutroni e protoni nel frammento raggiungerà un valore corrispondente a un isotopo stabile. Ad esempio, durante la fissione del nucleo di uranio U

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

frammento di fissione Come risultato di tre atti di β - decadimento, Xe si trasforma in un isotopo stabile del lantanio La:

Eh → Cs → Ba → La.

I frammenti di fissione possono essere diversi, quindi la reazione (265.1) non è l'unica che porta alla fissione dell'U.

La maggior parte dei neutroni viene emessa quasi istantaneamente durante la fissione ( t≤ 10 –14 s) e una parte (circa 0,7%) viene emessa da frammenti di fissione qualche tempo dopo la fissione (0,05 s ≤ t≤ 60 s). I primi di questi sono chiamati immediato, il secondo - ritardato. In media, vengono emessi 2,5 neutroni per ogni evento di fissione. Hanno uno spettro di energia relativamente ampio che va da 0 a 7 MeV, con un'energia media di circa 2 MeV per neutrone.

I calcoli mostrano che anche la fissione dei nuclei dovrebbe essere accompagnata dal rilascio un largo numero energia. Infatti, l'energia di legame specifica per i nuclei di massa media è di circa 8,7 MeV, mentre per i nuclei pesanti è di 7,6 MeV. Di conseguenza, la fissione di un nucleo pesante in due frammenti dovrebbe rilasciare un'energia pari a circa 1,1 MeV per nucleone.

La teoria della fissione dei nuclei atomici (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) si basava sul modello a goccia del nucleo. Il nucleo è considerato come una goccia di un liquido incomprimibile caricato elettricamente (con densità uguale a quella nucleare e obbediente alle leggi meccanica quantistica), le cui particelle, quando un neutrone entra nel nucleo, vengono a moto oscillante, a seguito della quale il nucleo viene lacerato in due parti, volando a pezzi con grande energia.

La probabilità di fissione nucleare è determinata dall'energia del neutrone. Ad esempio, se i neutroni ad alta energia causano la fissione di quasi tutti i nuclei, allora i neutroni con un'energia di diversi megaelettronvolt - solo nuclei pesanti ( MA>210), neutroni con energia di attivazione(l'energia minima necessaria per l'attuazione della reazione di fissione nucleare) dell'ordine di 1 MeV, provocano la fissione dei nuclei di uranio U, torio Th, protoattinio Pa, plutonio Pu. I nuclei U, Pu e U, Th sono divisi per neutroni termici (gli ultimi due isotopi non sono presenti in natura, sono ottenuti artificialmente).

I neutroni secondari emessi durante la fissione nucleare possono causare nuovi eventi di fissione, il che rende possibile l'esecuzione reazione a catena di fissione- una reazione nucleare in cui le particelle che causano la reazione si formano come prodotti di questa reazione. La reazione a catena di fissione è caratterizzata da fattore di moltiplicazione K neutroni, che è uguale al rapporto tra il numero di neutroni in una data generazione e il loro numero nella generazione precedente. Condizione necessaria per lo sviluppo di una reazione a catena di fissione è requisito k ≥ 1.

Si scopre che non tutti i neutroni secondari risultanti causano la successiva fissione nucleare, che porta a una diminuzione del fattore di moltiplicazione. In primo luogo, a causa delle dimensioni finite nucleo(lo spazio in cui ha luogo una reazione preziosa) e l'alto potere di penetrazione dei neutroni, alcuni di essi lasceranno il nucleo prima di essere catturati da qualsiasi nucleo. In secondo luogo, parte dei neutroni viene catturata dai nuclei delle impurità non fissili, che sono sempre presenti nel nucleo.Inoltre, insieme alla fissione, possono verificarsi processi concorrenti di cattura radiativa e diffusione anelastica.

Il fattore di moltiplicazione dipende dalla natura del materiale fissile e, per un dato isotopo, dalla sua quantità, nonché dalle dimensioni e dalla forma della zona attiva. Dimensioni minime vengono chiamate zone attive, in cui è possibile una reazione a catena dimensioni critiche. La massa minima di materiale fissile situata in un sistema di dimensioni critiche, necessaria per l'implementazione reazione a catena, chiamata massa critica.

La velocità di sviluppo delle reazioni a catena è diversa. Lascia stare T - tempo medio

vita di una generazione, e Nè il numero di neutroni in una data generazione. Nella prossima generazione, il loro numero è kN,t. e. aumento del numero di neutroni per generazione dN = kN – N = N(K- uno). L'aumento del numero di neutroni per unità di tempo, cioè il tasso di crescita della reazione a catena,

. (266.1)

Integrando (266.1), otteniamo

,

dove N0è il numero di neutroni nell'istante iniziale, e N- il loro numero alla volta t. Nè definito dal segno ( K- uno). In K>1 va sviluppo della risposta. il numero delle divisioni cresce continuamente e la reazione può diventare esplosiva. In K=1 va risposta autosufficiente in cui il numero di neutroni non cambia nel tempo. In K <1 идет reazione sbiadita,

Le reazioni a catena si dividono in controllate e incontrollate. L'esplosione di una bomba atomica, per esempio, è una reazione incontrollata. Per evitare che una bomba atomica esploda durante lo stoccaggio, U (o Pu) al suo interno è diviso in due parti distanti l'una dall'altra con masse inferiori a quelle critiche. Quindi, con l'aiuto di una normale esplosione, queste masse si avvicinano l'una all'altra, la massa totale del materiale fissile diventa più critica e si verifica una reazione a catena esplosiva, accompagnata da un rilascio istantaneo di un'enorme quantità di energia e grande distruzione. La reazione esplosiva inizia a causa della disponibilità di neutroni di fissione spontanea o di neutroni di radiazione cosmica. Gestito reazioni a catena effettuata nei reattori nucleari.

La fissione nucleare è la scissione di un atomo pesante in due frammenti di massa approssimativamente uguale, accompagnata dal rilascio di una grande quantità di energia.

La scoperta della fissione nucleare iniziò una nuova era: l '"era atomica". Il potenziale del suo possibile utilizzo e il rapporto rischio/beneficio del suo utilizzo non solo hanno generato molte conquiste sociologiche, politiche, economiche e scientifiche, ma anche seri problemi. Anche da un punto di vista puramente scientifico, si è creato il processo di fissione nucleare gran numero enigmi e complicazioni, e la sua completa spiegazione teorica è una questione di futuro.

La condivisione è redditizia

Le energie di legame (per nucleone) differiscono per i diversi nuclei. Quelli più pesanti hanno energie di legame inferiori rispetto a quelli situati al centro della tavola periodica.

Ciò significa che per nuclei pesanti con numero atomico maggiore di 100, è vantaggioso dividere in due frammenti più piccoli, liberando così energia, che viene convertita nell'energia cinetica dei frammenti. Questo processo è chiamato scissione

Secondo la curva di stabilità, che mostra la dipendenza del numero di protoni dal numero di neutroni per i nuclidi stabili, i nuclei più pesanti preferiscono più neutroni (rispetto al numero di protoni) rispetto a quelli più leggeri. Ciò suggerisce che, insieme al processo di scissione, verranno emessi alcuni neutroni "di riserva". Inoltre, assorbiranno anche parte dell'energia rilasciata. Lo studio della fissione nucleare dell'atomo di uranio ha mostrato che vengono rilasciati 3-4 neutroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Il numero atomico (e la massa atomica) del frammento non è uguale alla metà della massa atomica del genitore. La differenza tra le masse di atomi formate a seguito della scissione è solitamente di circa 50. È vero, la ragione di ciò non è ancora del tutto chiara.

Le energie di legame di 238 U, 145 La e 90 Br sono rispettivamente 1803, 1198 e 763 MeV. Ciò significa che a seguito di questa reazione viene rilasciata l'energia di fissione del nucleo di uranio, pari a 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Divisione spontanea

I processi di scissione spontanea sono noti in natura, ma sono molto rari. La vita media di questo processo è di circa 10 17 anni e, ad esempio, la vita media del decadimento alfa dello stesso radionuclide è di circa 10 11 anni.

La ragione di ciò è che per dividersi in due parti, il nucleo deve prima essere deformato (allungato) in una forma ellissoidale, quindi, prima di dividersi definitivamente in due frammenti, formare un "collo" nel mezzo.

Potenziale barriera

Nello stato deformato, due forze agiscono sul nucleo. Uno è l'aumento dell'energia superficiale (la tensione superficiale di una goccia di liquido spiega la sua forma sferica) e l'altro è la repulsione coulombiana tra i frammenti di fissione. Insieme producono una potenziale barriera.

Come nel caso del decadimento alfa, affinché avvenga la fissione spontanea del nucleo dell'atomo di uranio, i frammenti devono superare questa barriera usando il tunneling quantistico. La barriera è di circa 6 MeV, come nel caso del decadimento alfa, ma la probabilità di tunneling di una particella alfa è molto maggiore di quella di un prodotto di fissione dell'atomo molto più pesante.

scissione forzata

Molto più probabile è la fissione indotta del nucleo di uranio. In questo caso, il nucleo genitore viene irradiato con neutroni. Se il genitore lo assorbe, si legano, rilasciando energia di legame sotto forma di energia vibrazionale che può superare i 6 MeV necessari per superare la barriera potenziale.

Se l'energia del neutrone aggiuntivo è insufficiente per superare la barriera di potenziale, il neutrone incidente deve avere un'energia cinetica minima per poter indurre la scissione di un atomo. Nel caso di 238 U, l'energia di legame dei neutroni aggiuntivi è di circa 1 MeV breve. Ciò significa che la fissione del nucleo di uranio è indotta solo da un neutrone con un'energia cinetica maggiore di 1 MeV. D'altra parte, l'isotopo 235 U ha un neutrone spaiato. Quando il nucleo ne assorbe un altro, forma una coppia con esso e, come risultato di questo accoppiamento, appare un'energia di legame aggiuntiva. Questo è sufficiente per rilasciare la quantità di energia necessaria al nucleo per superare la barriera di potenziale e la fissione dell'isotopo si verifica in caso di collisione con qualsiasi neutrone.

decadimento beta

Anche se la reazione di fissione emette tre o quattro neutroni, i frammenti contengono ancora più neutroni delle loro isobare stabili. Ciò significa che i frammenti di scissione sono generalmente instabili contro il decadimento beta.

Ad esempio, quando si verifica la fissione dell'uranio 238U, l'isobare stabile con A = 145 è il neodimio 145Nd, il che significa che il frammento di lantanio 145La decade in tre fasi, emettendo ogni volta un elettrone e un antineutrino, fino a formare un nuclide stabile. L'isobare stabile con A = 90 è zirconio 90 Zr; pertanto, il frammento di scissione di bromo 90 Br si decompone in cinque fasi della catena di decadimento β.

Queste catene di β-decadimento rilasciano energia aggiuntiva, che viene quasi tutta portata via da elettroni e antineutrini.

Reazioni nucleari: fissione di nuclei di uranio

È improbabile l'emissione diretta di un neutrone da un nuclide con troppi di essi per garantire la stabilità del nucleo. Il punto qui è che non c'è repulsione di Coulomb, e quindi l'energia superficiale tende a mantenere il neutrone in legame con il genitore. Tuttavia, questo a volte accade. Ad esempio, un frammento di fissione di 90 Br nel primo stadio di decadimento beta produce krypton-90, che può essere in uno stato eccitato con energia sufficiente per superare l'energia superficiale. In questo caso, l'emissione di neutroni può avvenire direttamente con la formazione di krypton-89. ancora instabile rispetto al decadimento β fino a quando non viene convertito in ittrio-89 stabile, quindi il krypton-89 decade in tre fasi.

Fissione di nuclei di uranio: una reazione a catena

I neutroni emessi nella reazione di fissione possono essere assorbiti da un altro nucleo genitore, che a sua volta subisce la fissione indotta. Nel caso dell'uranio-238, i tre neutroni che si producono escono con un'energia inferiore a 1 MeV (l'energia rilasciata durante la fissione del nucleo di uranio - 158 MeV - viene principalmente convertita nell'energia cinetica dei frammenti di fissione ), quindi non possono causare un'ulteriore fissione di questo nuclide. Tuttavia, a una concentrazione significativa del raro isotopo 235 U, questi neutroni liberi possono essere catturati da nuclei di 235 U, che possono effettivamente causare la fissione, poiché in questo caso non esiste una soglia di energia al di sotto della quale la fissione non sia indotta.

Questo è il principio di una reazione a catena.

Tipi di reazioni nucleari

Sia k il numero di neutroni prodotti in un campione di materiale fissile nello stadio n di questa catena, diviso per il numero di neutroni prodotti nello stadio n - 1. Questo numero dipenderà da quanti neutroni prodotti nello stadio n - 1 vengono assorbiti dal nucleo, che può essere costretto a dividersi.

Se 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.

Se k > 1, la reazione a catena aumenterà fino a quando tutto il materiale fissile è stato utilizzato arricchendo il minerale naturale per ottenere una concentrazione sufficientemente grande di uranio-235. Per un campione sferico, il valore di k aumenta all'aumentare della probabilità di assorbimento dei neutroni, che dipende dal raggio della sfera. Pertanto, la massa U deve superare una certa quantità affinché avvenga la fissione dei nuclei di uranio (reazione a catena).

Se k = 1, allora ha luogo una reazione controllata. Questo è usato nei reattori nucleari. Il processo è controllato distribuendo nell'uranio barre di cadmio o boro, che assorbono la maggior parte dei neutroni (questi elementi hanno la capacità di catturare i neutroni). La fissione del nucleo di uranio viene controllata automaticamente spostando le aste in modo tale che il valore di k rimanga uguale a uno.

>> fissione dell'uranio

§ 107 FISSIONE DI URANIUS NUCLEI

Solo i nuclei di alcuni elementi pesanti possono essere divisi in parti. Durante la fissione dei nuclei vengono emessi due o tre neutroni e raggi. Allo stesso tempo, viene rilasciata molta energia.

Scoperta della fissione dell'uranio. La fissione dei nuclei di uranio fu scoperta nel 1938 dagli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann. Hanno stabilito che quando l'uranio viene bombardato con neutroni, sorgono elementi della parte media del sistema periodico: bario, krypton, ecc. Tuttavia, la corretta interpretazione di questo fatto proprio come fissione del nucleo di uranio che ha catturato il neutrone è stata data al all'inizio del 1939 dal fisico inglese O. Frisch insieme al fisico austriaco L. Meitner.

La cattura di un neutrone distrugge la stabilità del nucleo. Il nucleo è eccitato e diventa instabile, il che porta alla sua divisione in frammenti. La fissione nucleare è possibile perché la massa a riposo di un nucleo pesante è maggiore della somma delle masse a riposo dei frammenti che si formano durante la fissione. Pertanto, c'è un rilascio di energia equivalente a una diminuzione della massa a riposo che accompagna la fissione.

La possibilità di fissione di nuclei pesanti può anche essere spiegata utilizzando un grafico della dipendenza dell'energia di legame specifica dal numero di massa A (vedi Fig. 13.11). Energia di legame specifica dei nuclei atomici degli elementi che occupano il sistema periodico ultimi posti(A 200), circa 1 MeV in meno rispetto all'energia di legame specifica nei nuclei degli elementi posti al centro del sistema periodico (A 100). Pertanto, il processo di fissione di nuclei pesanti in nuclei di elementi nella parte centrale del sistema periodico è energeticamente favorevole. Dopo la fissione, il sistema entra in uno stato con un'energia interna minima. Dopotutto, maggiore è l'energia di legame del nucleo, maggiore è l'energia che deve essere rilasciata nella formazione del nucleo e, di conseguenza, minore Energia interna sistema di nuova formazione.

Durante la fissione nucleare, l'energia di legame per nucleone aumenta di 1 MeV e l'energia totale rilasciata deve essere enorme - circa 200 MeV. Nessun'altra reazione nucleare (non correlata alla fissione) rilascia energie così grandi.

Le misurazioni dirette dell'energia rilasciata durante la fissione del nucleo di uranio hanno confermato le considerazioni precedenti e hanno fornito un valore di 200 MeV. Inoltre, la maggior parte di questa energia (168 MeV) ricade sull'energia cinetica dei frammenti. Nella Figura 13.13 vedete le tracce di frammenti di uranio fissile in una camera a nebbia.

L'energia rilasciata durante la fissione nucleare è di origine elettrostatica piuttosto che nucleare. La grande energia cinetica che hanno i frammenti sorge a causa della loro repulsione coulombiana.

meccanismo di fissione nucleare. Il processo di fissione nucleare può essere spiegato sulla base del modello a goccia del nucleo. Secondo questo modello, un gruppo di nucleoni assomiglia a una goccia di un liquido carico (Fig. 13.14, a). Le forze nucleari tra i nucleoni sono a corto raggio, come le forze che agiscono tra le molecole liquide. Insieme alle forti forze di repulsione elettrostatica tra i protoni, che tendono a lacerare il nucleo, ci sono ancora grandi forze di attrazione nucleari. Queste forze impediscono al nucleo di disintegrarsi.

Il nucleo di uranio-235 è sferico. Dopo aver assorbito un neutrone in più, viene eccitato e inizia a deformarsi, acquisendo una forma allungata (Fig. 13.14, b). Il nucleo si allungherà fino a quando le forze repulsive tra le metà del nucleo allungato inizieranno a prevalere sulle forze di attrazione che agiscono nell'istmo (Fig. 13.14, c). Successivamente, viene strappato in due parti (Fig. 13.14, d).

Sotto l'azione delle forze repulsive di Coulomb, questi frammenti si separano a una velocità pari a 1/30 della velocità della luce.

Emissione di neutroni durante la fissione. Il fatto fondamentale della fissione nucleare è l'emissione di due o tre neutroni durante la fissione. Questo lo ha reso possibile uso pratico energia intranucleare.

È possibile capire perché i neutroni liberi vengono emessi dalle seguenti considerazioni. È noto che il rapporto tra il numero di neutroni e il numero di protoni nei nuclei stabili aumenta all'aumentare del numero atomico. Pertanto, nei frammenti che si formano durante la fissione, il numero relativo di neutroni risulta essere maggiore di quanto consentito per i nuclei di atomi situati al centro della tavola periodica. Di conseguenza, nel processo di fissione vengono rilasciati diversi neutroni. La loro energia è vari significati- da diversi milioni di elettronvolt a molto piccoli, prossimi allo zero.

La fissione di solito avviene in frammenti, le cui masse differiscono di circa 1,5 volte. Questi frammenti sono altamente radioattivi, poiché contengono una quantità eccessiva di neutroni. Come risultato di una serie di decadimenti successivi, si ottengono isotopi stabili.

In conclusione, notiamo che c'è anche fissione spontanea dei nuclei di uranio. Fu scoperto dai fisici sovietici G. N. Flerov e K. A. Petrzhak nel 1940. L'emivita per la fissione spontanea è di 10 16 anni. Questo è due milioni di volte più lungo dell'emivita del decadimento dell'uranio.

La reazione di fissione nucleare è accompagnata dal rilascio di energia.

Contenuto della lezione riassunto della lezione supporto cornice lezione presentazione metodi accelerativi tecnologie interattive Pratica compiti ed esercizi autoesame workshop, corsi di formazione, casi, missioni compiti a casa discussione domande domande retoriche degli studenti Illustrazioni audio, video clip e multimediali fotografie, immagini grafiche, tavole, schemi umorismo, aneddoti, barzellette, parabole a fumetti, proverbi, cruciverba, citazioni Componenti aggiuntivi riassunti articoli chip per curiosi cheat sheet libri di testo glossario di base e aggiuntivo di termini altro Miglioramento di libri di testo e lezionicorreggere gli errori nel libro di testo aggiornare un frammento nel libro di testo elementi di innovazione nella lezione sostituendo conoscenze obsolete con nuove Solo per insegnanti lezioni perfette piano del calendario per un anno linee guida programmi di discussione Lezioni integrate