Kāds ir urāna kodolu dalīšanās iemesls. Urāna kodola skaldīšana

Klase

Nodarbība #42-43

Urāna kodolu skaldīšanas ķēdes reakcija. Kodolenerģija un ekoloģija. Radioaktivitāte. Pus dzīve.

Kodolreakcijas

Kodolreakcija ir mijiedarbības process atoma kodols ar citu kodolu vai elementārdaļiņa, ko pavada izmaiņas kodola sastāvā un struktūrā un sekundāro daļiņu jeb γ-kvantu izdalīšanās.

Kodolreakciju rezultātā var veidoties jauni radioaktīvie izotopi, kas uz Zemes neatrodas vivo.

Pirmo kodolreakciju veica E. Rezerfords 1919. gadā eksperimentos, lai noteiktu protonus kodola sabrukšanas produktos (sk. § 9.5). Rezerfords bombardēja slāpekļa atomus ar alfa daļiņām. Daļiņām saduroties, notika kodolreakcija, kas norisinājās pēc šādas shēmas:

Kodolreakciju laikā vairāki saglabāšanas likumi: impulss, enerģija, leņķiskais impulss, lādiņš. Papildus šiem klasiskajiem saglabāšanas likumiem kodolreakcijās ir spēkā tā sauktais saglabāšanas likums. bariona lādiņš(tas ir, nukleonu skaits - protoni un neitroni). Vairāki citi saglabāšanas likumi, kas īpaši attiecas uz kodolfizika un elementārdaļiņu fizika.

Kodolreakcijas var notikt, kad atomus bombardē ātri uzlādētas daļiņas (protoni, neitroni, α-daļiņas, joni). Pirmā šāda veida reakcija tika veikta, izmantojot augstas enerģijas protonus, kas iegūti akseleratorā 1932.

kur M A un M B ir sākotnējo produktu masas, M C un M D ir masas gala produkti reakcijas. Tiek izsaukta vērtība ΔM masas defekts. Kodolreakcijas var turpināties ar enerģijas izdalīšanos (Q > 0) vai ar enerģijas absorbciju (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Lai kodolreakcijai būtu pozitīva enerģijas atdeve, specifiskā saistīšanas enerģija nukleoniem sākotnējo produktu kodolos jābūt mazākiem par nukleonu īpatnējo saistīšanas enerģiju galaproduktu kodolos. Tas nozīmē, ka ΔM jābūt pozitīvam.

Ir divi fundamentāli dažādi veidi kodolenerģijas izlaišana.

1. Smago kodolu skaldīšana. Atšķirībā no kodolu radioaktīvās sabrukšanas, ko pavada α- vai β-daļiņu emisija, dalīšanās reakcijas ir process, kurā nestabils kodols tiek sadalīts divos lielos salīdzināmas masas fragmentos.

1939. gadā vācu zinātnieki O. Hāns un F. Štrasmans atklāja urāna kodolu skaldīšanu. Turpinot Fermi iesākto pētījumu, viņi atklāja, ka, bombardējot urānu ar neitroniem, vidusdaļas elementi. periodiska sistēma– bārija (Z = 56), kriptona (Z = 36) u.c. radioaktīvie izotopi.

Urāns dabā sastopams divu izotopu veidā: (99,3%) un (0,7%). Bombardējot ar neitroniem, abu izotopu kodoli var sadalīties divos fragmentos. Šajā gadījumā skaldīšanas reakcija visintensīvāk notiek ar lēniem (termiskiem) neitroniem, savukārt kodoli dalīšanās reakcijā notiek tikai ar ātrajiem neitroniem, kuru enerģija ir aptuveni 1 MeV.

Galvenā interese par kodolenerģija attēlo kodola dalīšanās reakciju.Šobrīd ir zināmi aptuveni 100 dažādi izotopi ar masas skaitu no aptuveni 90 līdz 145, kas radušies šī kodola skaldīšanas rezultātā. Divām tipiskām šī kodola dalīšanās reakcijām ir šāda forma:

Ņemiet vērā, ka neitrona ierosinātās kodola skaldīšanas rezultātā rodas jauni neitroni, kas var izraisīt skaldīšanas reakcijas citos kodolos. Urāna-235 kodolu skaldīšanas produkti var būt arī citi bārija, ksenona, stroncija, rubīdija u.c. izotopi.

Viena urāna kodola skaldīšanas laikā izdalītā kinētiskā enerģija ir milzīga – aptuveni 200 MeV. Kodola skaldīšanas laikā atbrīvoto enerģiju var novērtēt, izmantojot specifiskā saistīšanas enerģija nukleoni kodolā. Nukleonu īpatnējā saistīšanās enerģija kodolos ar masas skaitlis A ≈ 240 ir aptuveni 7,6 MeV uz nukleonu, savukārt kodolos ar masas skaitļiem A = 90–145 īpatnējā enerģija ir aptuveni 8,5 MeV uz nukleonu. Tāpēc urāna kodola dalīšanās rezultātā atbrīvo enerģiju aptuveni 0,9 MeV uz vienu nukleonu jeb aptuveni 210 MeV uz urāna atomu. Pilnīgi sadaloties visiem kodoliem, kas atrodas 1 g urāna, izdalās tāda pati enerģija kā 3 tonnu ogļu vai 2,5 tonnu naftas sadegšanas laikā.

Urāna kodola skaldīšanas produkti ir nestabili, jo tajos ir ievērojams neitronu daudzums. Patiešām, N/Z attiecība vissmagākajiem kodoliem ir aptuveni 1,6 (9.6.2. att.), kodoliem ar masas skaitļiem no 90 līdz 145 šī attiecība ir aptuveni 1,3–1,4. Tāpēc fragmentu kodoli piedzīvo virkni secīgu β - sabrukumu, kā rezultātā palielinās protonu skaits kodolā, un neitronu skaits samazinās, līdz veidojas stabils kodols.

Urāna-235 kodola skaldīšanas laikā, ko izraisa sadursme ar neitronu, tiek atbrīvoti 2 vai 3 neitroni. Plkst labvēlīgi apstākļišie neitroni var ietriekties citos urāna kodolos un izraisīt to skaldīšanu. Šajā posmā jau parādīsies no 4 līdz 9 neitroni, kas spēj izraisīt jaunu urāna kodolu sabrukšanu utt. Šādu lavīnai līdzīgu procesu sauc par ķēdes reakciju. Attīstības shēma ķēdes reakcija urāna kodolu skaldīšana parādīta att. 9.8.1.

Attēls 9.8.1. Ķēdes reakcijas attīstības shēma.

Lai notiktu ķēdes reakcija, nepieciešams, lai t.s neitronu reizināšanas koeficients bija lielāks par vienu. Citiem vārdiem sakot, katrā nākamajā paaudzē vajadzētu būt vairāk neitronu nekā iepriekšējā. Reizināšanas koeficientu nosaka ne tikai katrā elementārajā notikumā saražoto neitronu skaits, bet arī apstākļi, kādos notiek reakcija – daļu neitronu var absorbēt citi kodoli vai atstāt reakcijas zonu. Urāna-235 kodolu skaldīšanas laikā izdalītie neitroni var izraisīt tikai tā paša urāna kodolu skaldīšanu, kas veido tikai 0,7% no dabiskā urāna. Šī koncentrācija nav pietiekama, lai sāktu ķēdes reakciju. Izotops var arī absorbēt neitronus, bet ķēdes reakcija nenotiek.

ķēdes reakcija urānā augsts saturs urāns-235 var attīstīties tikai tad, ja urāna masa pārsniedz t.s kritiskā masa. Nelielos urāna gabaliņos lielākā daļa neitronu, neietriecoties nevienā kodolā, izlido. Tīram urānam-235 kritiskā masa ir aptuveni 50 kg. Urāna kritisko masu var daudzkārt samazināt, izmantojot t.s moderatori neitroni. Fakts ir tāds, ka neitroniem, kas rodas urāna kodolu sabrukšanas laikā, ir pārāk liels ātrums, un varbūtība, ka urāna-235 kodoli uztvers lēnos neitronus, ir simtiem reižu lielāka nekā ātrajiem. Labākais neitronu moderators ir smagais ūdens D 2 O. Mijiedarbojoties ar neitroniem, parastais ūdens pats pārvēršas smagā ūdenī.

Labs moderators ir arī grafīts, kura kodoli neuzsūc neitronus. Elastīgā mijiedarbībā ar deitēriju vai oglekļa kodoliem neitroni tiek palēnināti līdz termiskajam ātrumam.

Neitronu moderatoru un īpaša berilija apvalka, kas atspoguļo neitronus, izmantošana ļauj samazināt kritisko masu līdz 250 g.

IN atombumbas nekontrolēta kodola ķēdes reakcija notiek, kad ātrs savienojums divi urāna-235 gabali, no kuriem katra masa ir nedaudz zemāka par kritisko.

Tiek saukta ierīce, kas uztur kontrolētu kodola skaldīšanas reakciju kodolenerģijas(vai atomu) reaktors. Kodolreaktora shēma uz lēniem neitroniem ir parādīta attēlā. 9.8.2.

Attēls 9.8.2. Kodolreaktora iekārtas shēma.

Kodolreakcija notiek reaktora aktīvajā zonā, kas ir piepildīta ar moderatoru un caurdurta ar stieņiem, kas satur bagātinātu urāna izotopu maisījumu ar augstu urāna-235 saturu (līdz 3%). Kodolā tiek ievadīti kadmiju vai boru saturoši kontroles stieņi, kas intensīvi absorbē neitronus. Stieņu ievadīšana kodolā ļauj kontrolēt ķēdes reakcijas ātrumu.

Kodols tiek atdzesēts ar sūknējamu dzesēšanas šķidrumu, kas var būt ūdens vai metāls ar zemu kušanas temperatūru (piemēram, nātrijs, kura kušanas temperatūra ir 98 °C). Tvaika ģeneratorā dzesēšanas šķidrums tiek pārnests siltumenerģijaūdeni, pārvēršot to tvaikā augstspiediena. Tvaiks tiek nosūtīts uz turbīnu, kas savienota ar elektrisko ģeneratoru. No turbīnas tvaiks nonāk kondensatorā. Lai izvairītos no starojuma noplūdes, dzesēšanas šķidruma I un tvaika ģeneratora II ķēdes darbojas slēgtos ciklos.

Atomelektrostacijas turbīna ir siltumdzinējs, kas nosaka iekārtas kopējo efektivitāti saskaņā ar otro termodinamikas likumu. Mūsdienu atomelektrostacijām efektivitāte ir aptuveni vienāda Tāpēc 1000 MW ražošanai elektriskā jauda reaktora siltuma jaudai jāsasniedz 3000 MW. 2000 MW ir jānoņem ūdens, kas dzesē kondensatoru. Tas noved pie dabisko ūdenstilpņu lokālas pārkaršanas un tam sekojošas vides problēmu rašanās.

Bet, galvenā problēma ir nodrošināt pilnīgu atomelektrostacijās strādājošo cilvēku radiācijas drošību un novērst nejaušu radioaktīvo vielu noplūdi, kas lielos daudzumos uzkrājas reaktora aktīvajā zonā. Kodolreaktoru izstrādē šai problēmai tiek pievērsta liela uzmanība. Tomēr pēc avārijām dažās atomelektrostacijās, jo īpaši Pensilvānijas atomelektrostacijā (ASV, 1979) un Černobiļas atomelektrostacijā (1986), kodolenerģijas drošības problēma ir kļuvusi īpaši aktuāla.

Līdzās iepriekš aprakstītajam kodolreaktoram, kas darbojas uz lēnajiem neitroniem, lielu praktisku interesi rada reaktori, kas darbojas bez moderatora uz ātrajiem neitroniem. Šādos reaktoros kodoldegviela ir bagātināts maisījums, kas satur vismaz 15% izotopu.Ātro neitronu reaktoru priekšrocība ir tāda, ka to darbības laikā urāna-238 kodoli, absorbējot neitronus, caur diviem secīgiem β - sabrukšanas procesiem tiek pārvērsti plutonijā. kodoli, kurus pēc tam var izmantot kā kodoldegvielu:

Šādu reaktoru audzēšanas koeficients sasniedz 1,5, tas ir, uz 1 kg urāna-235 tiek iegūts līdz 1,5 kg plutonija. Tradicionālie reaktori ražo arī plutoniju, bet daudz mazākos daudzumos.

Pirmais kodolreaktors tika uzbūvēts 1942. gadā ASV E. Fermi vadībā. Mūsu valstī pirmais reaktors tika uzbūvēts 1946. gadā IV Kurčatova vadībā.

2. kodoltermiskās reakcijas. Otrs veids, kā atbrīvot kodolenerģiju, ir saistīts ar kodolsintēzes reakcijām. Vieglo kodolu saplūšanas un jauna kodola veidošanās laikā vajadzētu atbrīvot lielu daudzumu enerģijas. To var redzēt no īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarības no masas skaitļa A (9.6.1. att.). Līdz kodoliem, kuru masas skaitlis ir aptuveni 60, nukleonu īpatnējā saistīšanās enerģija palielinās, palielinoties A. Tāpēc jebkura kodola saplūšana ar A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Tiek sauktas vieglo kodolu saplūšanas reakcijas kodoltermiskās reakcijas, jo tie var plūst tikai ļoti augstā temperatūrā. Lai divi kodoli nonāktu saplūšanas reakcijā, tiem jātuvojas kodolspēku darbības attālumam aptuveni 2,10–15 m, pārvarot to pozitīvo lādiņu elektrisko atgrūšanos. Šim nolūkam vidējā kinētiskā enerģija termiskā kustība molekulām jāpārsniedz Kulona mijiedarbības potenciālā enerģija. Aprēķinot nepieciešamo temperatūru T, tiek iegūta vērtība aptuveni 10 8–10 9 K. Tā ir ārkārtīgi augsta temperatūra. Šajā temperatūrā viela atrodas pilnībā jonizētā stāvoklī, ko sauc plazma.

Enerģija, kas izdalās termokodolreakcijās uz vienu nukleonu, ir vairākas reizes lielāka nekā īpatnējā enerģija, kas izdalās kodola skaldīšanas ķēdes reakcijās. Tā, piemēram, deitērija un tritija kodolu saplūšanas reakcijā

Atbrīvojas 3,5 MeV/nukleons. Kopumā šajā reakcijā izdalās 17,6 MeV. Šī ir viena no daudzsološākajām kodoltermiskajām reakcijām.

Īstenošana kontrolētas kodoltermiskās reakcijas dos cilvēcei jaunu videi draudzīgu un praktiski neizsmeļamu enerģijas avotu. Tomēr īpaši augstas temperatūras iegūšana un līdz miljardam grādu uzkarsētas plazmas ierobežošana ir vissarežģītākais zinātniskais un tehniskais uzdevums ceļā uz kontrolētas termiskās apstrādes ieviešanu. kodolsintēze.

Uz šis posms zinātnes un tehnoloģiju attīstība ir bijusi tikai nekontrolēta saplūšanas reakcijaūdeņraža bumbā. Kodolsintēzei nepieciešamā augstā temperatūra šeit tiek sasniegta, detonējot parasto urāna vai plutonija bumbu.

Termonukleārajām reakcijām ir ārkārtīgi svarīga loma Visuma evolūcijā. Saules un zvaigžņu starojuma enerģijai ir kodoltermiskā izcelsme.

Radioaktivitāte

Gandrīz 90% no zināmajiem 2500 atomu kodoliem ir nestabili. Nestabils kodols spontāni pārvēršas citos kodolos ar daļiņu emisiju. Šo kodolu īpašību sauc radioaktivitāte. Lieliem kodoliem nestabilitāte rodas konkurences dēļ starp nukleonu piesaisti ar kodolspēkiem un Kulona protonu atgrūšanu. Stabilu kodolu ar lādiņa skaitli Z > 83 un masas skaitli A > 209 nav.Bet radioaktīvi var izrādīties arī atomu kodoli ar ievērojami mazākiem Z un A skaitļiem.Ja kodolā ir ievērojami vairāk protonu nekā neitronu, tad rodas nestabilitāte. ar Kulona mijiedarbības enerģijas pārpalikumu. Kodoli, kuros būtu liels neitronu pārpalikums pār protonu skaitu, ir nestabili tādēļ, ka neitrona masa pārsniedz protona masu. Kodola masas palielināšanās noved pie tā enerģijas palielināšanās.

Radioaktivitātes fenomenu 1896. gadā atklāja franču fiziķis A. Bekerels, kurš atklāja, ka urāna sāļi izstaro nezināmu starojumu, kas var izspiesties cauri gaismai necaurredzamām barjerām un izraisīt fotogrāfiskās emulsijas nomelnošanu. Divus gadus vēlāk franču fiziķi M. un P. Kirī atklāja torija radioaktivitāti un atklāja divus jaunus radioaktīvos elementus – poloniju un rādiju.

Turpmākajos gados daudzi fiziķi, tostarp E. Rezerfords un viņa studenti, nodarbojās ar radioaktīvā starojuma būtības izpēti. Tika konstatēts, ka radioaktīvie kodoli var izstarot trīs veidu daļiņas: pozitīvi un negatīvi lādētas un neitrālas. Šos trīs starojuma veidus sauca par α-, β- un γ-starojumu. Uz att. 9.7.1. parādīta eksperimenta shēma, kas dod iespēju noteikt radioaktīvā starojuma komplekso sastāvu. Magnētiskajā laukā α un β stari novirzās pretējos virzienos, bet β stari novirzās daudz vairāk. γ-stari magnētiskajā laukā vispār nenovirzās.

Šie trīs radioaktīvā starojuma veidi ievērojami atšķiras viens no otra ar spēju jonizēt matērijas atomus un līdz ar to arī ar caurlaidības spēju. α-starojumam ir vismazākā iespiešanās spēja. Gaisā normālos apstākļos α-stari pārvietojas vairāku centimetru attālumā. β-starus daudz mazāk absorbē viela. Tie spēj iziet cauri vairākus milimetrus biezam alumīnija slānim. γ-stariem ir vislielākā iespiešanās spēja, kas spēj iziet cauri svina slānim, kura biezums ir 5–10 cm.

20. gadsimta otrajā desmitgadē pēc E. Rezerforda atklājuma kodola struktūra atomi, tika stingri noteikts, ka radioaktivitāte ir atomu kodolu īpašības. Pētījumi ir parādījuši, ka α-stari ir α-daļiņu plūsma - hēlija kodoli, β-stari ir elektronu plūsma, γ-stari ir īsviļņu elektromagnētiskā radiācija ar ārkārtīgi īsu viļņa garumu λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa sabrukšana. Alfa sabrukšana ir atoma kodola ar protonu skaitu Z un neitronu N spontāna pārvēršanās citā (meitas) kodolā, kas satur protonu skaitu Z - 2 un neitronus N - 2. Šajā gadījumā tiek emitēta α-daļiņa - hēlija atoma kodols. Šāda procesa piemērs ir rādija α sabrukšana:

Alfa daļiņas, ko izstaro rādija atomu kodoli, Raterfords izmantoja eksperimentos par smago elementu kodolu izkliedi. Rādija kodolu α sabrukšanas laikā emitēto α-daļiņu ātrums, mērot pa trajektorijas izliekumu magnētiskajā laukā, ir aptuveni vienāds ar 1,5 10 7 m/s, un atbilstošā kinētiskā enerģija ir aptuveni 7,5 10 -13 J (apmēram 4,8 MeV). Šo vērtību var viegli noteikt no zināmās vērtības vecāku un meitas kodolu un hēlija kodola masas. Lai gan izmestās α-daļiņas ātrums ir milzīgs, tas joprojām ir tikai 5% no gaismas ātruma, tāpēc aprēķinos var izmantot nerelativistisku kinētiskās enerģijas izteiksmi.

Pētījumi liecina, ka radioaktīvā viela var emitēt α-daļiņas ar vairākām atsevišķām enerģijas vērtībām. Tas izskaidrojams ar to, ka kodoli, tāpat kā atomi, var būt dažādos ierosinātos stāvokļos. Meitas kodols var atrasties vienā no šiem ierosinātajiem stāvokļiem α-sabrukšanas laikā. Turpmākās šī kodola pārejas laikā uz pamatstāvokli tiek emitēts γ-kvants. Rādija α-sabrukšanas shēma ar α-daļiņu emisiju ar divām kinētisko enerģiju vērtībām ir parādīta attēlā. 9.7.2.

Tādējādi kodolu α-sabrukšanu daudzos gadījumos pavada γ-starojums.

α-sabrukšanas teorijā tiek pieņemts, ka grupas, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, tas ir, α-daļiņas, var veidoties kodolu iekšpusē. Sākotnējais kodols ir paredzēts α-daļiņām potenciālā bedre, kas ir ierobežots potenciālā barjera. Kodolā esošās α-daļiņas enerģija ir nepietiekama, lai pārvarētu šo barjeru (9.7.3. att.). α-daļiņas izgrūšana no kodola iespējama tikai pateicoties kvantu mehāniskai parādībai, ko sauc tuneļa efekts. Saskaņā ar kvantu mehāniku, varbūtība, ka daļiņa nonāks zem potenciāla barjeras, nav nulle. Tunelēšanas fenomenam ir varbūtības raksturs.

Beta sabrukšana. Beta sabrukšanas gadījumā no kodola izdalās elektrons. Kodolu iekšpusē elektroni nevar pastāvēt (sk. § 9.5), tie rodas β-sabrukšanas laikā neitrona pārvēršanās protonā rezultātā. Šis process var notikt ne tikai kodola iekšpusē, bet arī ar brīvajiem neitroniem. Brīvā neitrona vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 15 minūtes. Kad neitrons sadalās protonā un elektronā

Mērījumi parādīja, ka šajā procesā ir acīmredzams enerģijas nezūdamības likuma pārkāpums, jo protona un elektrona kopējā enerģija, kas rodas neitrona sabrukšanas rezultātā, ir mazāka par neitrona enerģiju. 1931. gadā V. Pauli ierosināja, ka neitrona sabrukšanas laikā izdalās cita daļiņa ar nulles masu un lādiņu, kas ar sevi atņem daļu enerģijas. Jaunā daļiņa ir nosaukta neitrīno(mazs neitrons). Tā kā neitrīnā nav lādiņa un masas, šī daļiņa ļoti vāji mijiedarbojas ar matērijas atomiem, tāpēc eksperimentā to ir ārkārtīgi grūti noteikt. Neitrīno jonizācijas spēja ir tik maza, ka viens jonizācijas akts gaisā iekrīt aptuveni 500 km garumā. Šī daļiņa tika atklāta tikai 1953. gadā. Šobrīd ir zināms, ka ir vairākas neitrīno šķirnes. Neitronu sabrukšanas procesā rodas daļiņa, ko sauc elektroniskais antineitrīns. To apzīmē ar simbolu Tāpēc neitronu sabrukšanas reakcija tiek rakstīta kā

Līdzīgs process notiek arī kodolos β-sabrukšanas laikā. Elektrons, kas veidojas viena no kodolneitronu sabrukšanas rezultātā, nekavējoties tiek izmests no “mātes mājas” (kodola) ar milzīgu ātrumu, kas var atšķirties no gaismas ātruma tikai par procenta daļu. Tā kā β-sabrukšanas laikā atbrīvotās enerģijas sadalījums starp elektronu, neitrīno un meitas kodolu ir nejaušs, β-elektroniem var būt dažādi ātrumi plašā diapazonā.

β-sabrukšanas laikā lādiņa skaitlis Z palielinās par vienu, bet masas skaitlis A paliek nemainīgs. Meitas kodols izrādās viena no elementa izotopiem kodols, kura kārtas numurs periodiskajā tabulā ir par vienu augstāks nekā sākotnējā kodola kārtas numurs. Tipisks piemērsβ-sabrukšana var kalpot kā torija izotona transformācija, kas rodas urāna α-sabrukšanas rezultātā par palādiju

Gamma sabrukšana. Atšķirībā no α- un β-radioaktivitātes, kodolu γ-radioaktivitāte nav saistīta ar izmaiņām kodola iekšējā struktūrā un to nepavada lādiņa vai masas skaitļu izmaiņas. Gan α-, gan β-sabrukšanas gadījumā meitas kodols var būt satrauktā stāvoklī un tam var būt enerģijas pārpalikums. Kodola pāreju no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli pavada viena vai vairāku γ-kvantu emisija, kuru enerģija var sasniegt vairākus MeV.

Radioaktīvās sabrukšanas likums. Jebkurš radioaktīvā materiāla paraugs satur milzīgu skaitu radioaktīvo atomu. Tā kā radioaktīvā sabrukšana ir nejauša un nav atkarīga no ārējiem apstākļiem, tad nesadalījušos k skaitļa N(t) samazināšanās likums pašreizējais brīdis Kodolu laiks t var kalpot par svarīgu radioaktīvās sabrukšanas procesa statistisko raksturlielumu.

Ļaujiet nesabrukušo kodolu skaitam N(t) mainīties par ΔN īsā laika periodā Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Proporcionalitātes koeficients λ ir kodola sabrukšanas varbūtība laikā Δt = 1 s. Šī formula nozīmē, ka funkcijas N(t) izmaiņu ātrums ir tieši proporcionāls pašai funkcijai.

kur N 0 ir sākotnējais radioaktīvo kodolu skaits pie t = 0. Laikā τ = 1 / λ nesabrukušo kodolu skaits samazināsies par e ≈ 2,7 reizes. Tiek izsaukta vērtība τ vidējais dzīves ilgums radioaktīvais kodols.

Praktiskai lietošanai ir ērti uzrakstīt radioaktīvās sabrukšanas likumu citā formā, par pamatu izmantojot skaitli 2, nevis e:

T vērtību sauc Pus dzīve. Laikā T puse no sākotnējā radioaktīvo kodolu skaita sadalās. T un τ vērtības ir saistītas ar attiecību

Pussabrukšanas periods ir galvenais lielums, kas raksturo radioaktīvās sabrukšanas ātrumu. Jo īsāks pussabrukšanas periods, jo intensīvāka ir sabrukšana. Tādējādi urānam T ≈ 4,5 miljardi gadu un rādijam T ≈ 1600 gadu. Tāpēc rādija aktivitāte ir daudz augstāka nekā urāna aktivitāte. Ir radioaktīvie elementi, kuru pussabrukšanas periods ir sekundes daļa.

Dabiskos apstākļos nav sastopams un beidzas ar bismutu. Šī radioaktīvo sabrukšanas sērija notiek kodolreaktori .

Interesants pieteikums radioaktivitāte ir arheoloģisko un ģeoloģisko atradumu datēšanas metode pēc radioaktīvo izotopu koncentrācijas. Visbiežāk izmantotā metode ir radiooglekļa datēšana. Nav stabils izotops ogleklis rodas atmosfērā kodolreakciju rezultātā, ko izraisa kosmiskie stari. Neliels procents šī izotopa ir atrodams gaisā kopā ar parasto stabilo izotopu.Augi un citi organismi patērē oglekli no gaisa un uzkrāj abus izotopus tādā pašā proporcijā kā gaisā. Pēc augu nāves tie pārstāj patērēt oglekli, un β-sabrukšanas rezultātā nestabilais izotops pamazām pārvēršas slāpeklī ar pussabrukšanas periodu 5730 gadi. veidā precīzs mērījums Radioaktīvā oglekļa relatīvā koncentrācija seno organismu atliekās var noteikt to nāves laiku.

Visu veidu radioaktīvais starojums (alfa, beta, gamma, neitroni), kā arī elektromagnētiskais starojums ( rentgenstari) ir ļoti spēcīga bioloģiskā ietekme uz dzīviem organismiem, kas sastāv no dzīvās šūnas veidojošo atomu un molekulu ierosmes un jonizācijas procesos. Jonizējošā starojuma ietekmē tiek iznīcinātas sarežģītas molekulas un šūnu struktūras, kas izraisa radiācijas bojājumus ķermenim. Tāpēc, strādājot ar jebkuru starojuma avotu, ir jāveic visi pasākumi, lai aizsardzība pret radiāciju cilvēki, kas var būt pakļauti radiācijas iedarbībai.

Taču cilvēks var tikt pakļauts jonizējošā starojuma iedarbībai un dzīves apstākļi. Radons, inerta, bezkrāsaina radioaktīva gāze, var nopietni apdraudēt cilvēka veselību Kā redzams attēlā redzamajā diagrammā. 9.7.5, radons ir rādija α sabrukšanas produkts, un tā pussabrukšanas periods T = 3,82 dienas. Rādijs ir atrodams nelielos daudzumos augsnē, akmeņos un dažādos veidos būvkonstrukcijas. Neskatoties uz salīdzinoši īso kalpošanas laiku, radona koncentrācija nepārtraukti tiek papildināta jaunu rādija kodolu sabrukšanas dēļ, tāpēc radons var uzkrāties slēgtās telpās. Nokļūstot plaušās, radons izdala α-daļiņas un pārvēršas par poloniju, kas nav ķīmiski inerta viela. Tam seko urāna sērijas radioaktīvo transformāciju ķēde (9.7.5. att.). Saskaņā ar Amerikas Radiācijas drošības un kontroles komisijas datiem, vidusmēra cilvēks saņem 55% jonizējošā starojuma no radona un tikai 11% no radona. medicīniskie pakalpojumi. Kosmisko staru ieguldījums ir aptuveni 8%. Kopējā starojuma deva, ko cilvēks saņem dzīves laikā, ir daudzkārt mazāka maksimālā pieļaujamā deva(SDA), kas ir paredzēts noteiktu profesiju cilvēkiem, kas pakļauti papildu jonizējošā starojuma iedarbībai.

Kodola dalīšanās reakcijas- skaldīšanas reakcijas, kas sastāv no tā, ka smagais kodols neitronu un, kā vēlāk izrādījās, citu daļiņu ietekmē tiek sadalīts vairākos vieglākos kodolos (fragmentos), visbiežāk divos kodolos, kas ir tuvu masai.

Kodola skaldīšanas iezīme ir tāda, ka to pavada divu vai trīs sekundāro neitronu, t.s. dalīšanās neitroni. Tā kā vidējiem kodoliem neitronu skaits ir aptuveni vienāds ar protonu skaitu ( N/Z ≈ 1), un smagajiem kodoliem neitronu skaits ievērojami pārsniedz protonu skaitu ( N/Z ≈ 1.6), tad iegūtie skaldīšanas fragmenti tiek pārslogoti ar neitroniem, kā rezultātā tie atbrīvo dalīšanās neitronus. Tomēr dalīšanās neitronu emisija pilnībā nenovērš neitronu radīto fragmentu kodolu pārslodzi. Tas noved pie tā, ka fragmenti ir radioaktīvi. Tie var iziet virkni β--transformāciju, ko pavada γ-kvantu emisija. Tā kā β - -sabrukšanu pavada neitrona pārvēršanās par protonu, tad pēc β - -transformāciju ķēdes fragmentā neitronu un protonu attiecība sasniegs vērtību, kas atbilst stabilam izotopam. Piemēram, urāna kodola U skaldīšanas laikā

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

skaldīšanas lauskas Trīs β sabrukšanas darbību rezultātā Xe pārvēršas par stabilu lantāna La izotopu:

Heh → Cs → Ba → La.

Dalīšanās fragmenti var būt dažādi, tāpēc reakcija (265.1) nav vienīgā, kas noved pie U skaldīšanas.

Lielākā daļa neitronu sadalīšanās laikā tiek emitēti gandrīz acumirklī ( t≤ 10 –14 s), un daļu (apmēram 0,7%) izdala dalīšanās fragmenti kādu laiku pēc skaldīšanas (0,05 s ≤ t≤ 60 s). Pirmie no tiem tiek saukti tūlītēja, otrais - kavējas. Vidēji katrā skaldīšanas notikumā tiek emitēti 2,5 neitroni. Viņiem ir salīdzinoši plašs enerģijas spektrs, kas svārstās no 0 līdz 7 MeV, un vidējā enerģija ir aptuveni 2 MeV uz neitronu.

Aprēķini liecina, ka kodolu skaldīšanai būtu jāpavada arī atbrīvošanās liels skaits enerģiju. Patiešām, īpatnējā saistīšanās enerģija vidējas masas kodoliem ir aptuveni 8,7 MeV, savukārt smagajiem kodoliem tā ir 7,6 MeV. Līdz ar to smaga kodola sadalīšanai divos fragmentos vajadzētu atbrīvot enerģiju, kas vienāda ar aptuveni 1,1 MeV uz vienu nukleonu.

Atomu kodolu dalīšanās teorija (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) balstījās uz kodola kritiena modeli. Kodols tiek uzskatīts par elektriski lādēta nesaspiežama šķidruma pilienu (kura blīvums ir vienāds ar kodolu un kas atbilst likumiem kvantu mehānika), kuras daļiņas, neitronam nonākot kodolā, nonāk oscilējoša kustība, kā rezultātā kodols tiek saplēsts divās daļās, lidojot ar lielu enerģiju.

Kodola skaldīšanas varbūtību nosaka neitronu enerģija. Piemēram, ja augstas enerģijas neitroni izraisa gandrīz visu kodolu sadalīšanos, tad neitroni ar vairāku mega-elektronvoltu enerģiju - tikai smagie kodoli ( BET>210), neitroni ar aktivizācijas enerģija(minimālā enerģija, kas nepieciešama kodola skaldīšanas reakcijas veikšanai), kas ir aptuveni 1 MeV, izraisa urāna U, torija Th, protaktīnija Pa, plutonija Pu kodolu skaldīšanu. Kodolus U, Pu un U, Th dala termiskie neitroni (pēdējie divi izotopi dabā neparādās, tie iegūti mākslīgi).

Kodola skaldīšanas laikā emitētie sekundārie neitroni var izraisīt jaunus skaldīšanas notikumus, kas ļauj veikt skaldīšanas ķēdes reakcija- kodolreakcija, kurā reakciju izraisošās daļiņas veidojas kā šīs reakcijas produkti. Sadalīšanās ķēdes reakciju raksturo reizināšanas koeficients k neitroni, kas ir vienāds ar neitronu skaita attiecību noteiktā paaudzē un to skaitu iepriekšējā paaudzē. Nepieciešams nosacījums dalīšanās ķēdes reakcijas attīstībai ir prasība k ≥ 1.

Izrādās, ka ne visi iegūtie sekundārie neitroni izraisa turpmāku kodola skaldīšanu, kas noved pie reizināšanas koeficienta samazināšanās. Pirmkārt, ierobežoto izmēru dēļ kodols(telpa, kurā notiek vērtīga reakcija) un neitronu lielā iespiešanās spēja, daži no tiem pametīs kodolu, pirms tos uztver kāds kodols. Otrkārt, daļu neitronu uztver neskaldošo piemaisījumu kodoli, kas vienmēr atrodas kodolā, turklāt līdz ar skaldīšanu var notikt konkurējoši radiācijas uztveršanas un neelastīgās izkliedes procesi.

Reizināšanas koeficients ir atkarīgs no skaldāmā materiāla rakstura un konkrētam izotopam no tā daudzuma, kā arī no aktīvās zonas izmēra un formas. Minimālie izmēri tiek saukta aktīvā zona, kurā iespējama ķēdes reakcija kritiskie izmēri. Ieviešanai nepieciešamā skaldāmā materiāla minimālā masa, kas atrodas kritisko izmēru sistēmā ķēdes reakcija, sauca kritiskā masa.

Ķēdes reakciju attīstības ātrums ir atšķirīgs. Ļaujiet būt T - vidējais laiks

vienas paaudzes mūžs, un N ir neitronu skaits noteiktā paaudzē. Nākamajā paaudzē to skaits ir kN,T. e) neitronu skaita pieaugums vienā paaudzē dN = kN – N = N(k- viens). Neitronu skaita pieaugums laika vienībā, t.i., ķēdes reakcijas pieauguma ātrums,

. (266.1)

Integrējot (266.1), iegūstam

,

kur N0 ir neitronu skaits sākotnējā laika momentā, un N- to skaits vienlaikus t. N tiek definēts ar zīmi ( k- viens). Plkst k>1 iet attīstot reakciju. divīziju skaits nepārtraukti pieaug un reakcija var kļūt sprādzienbīstama. Plkst k=1 iet pašpietiekama reakcija kurā neitronu skaits laika gaitā nemainās. Plkst k <1 идет izzūdoša reakcija,

Ķēdes reakcijas ir sadalītas kontrolētās un nekontrolētās. Piemēram, atombumbas sprādziens ir nekontrolēta reakcija. Lai novērstu atombumbas eksploziju uzglabāšanas laikā, U (vai Pu) tajā ir sadalīts divās daļās, kas atrodas attālināti viena no otras ar masu zem kritiskās. Tad ar parasta sprādziena palīdzību šīs masas tuvojas viena otrai, skaldāmā materiāla kopējā masa kļūst kritiskāka, un notiek sprādzienbīstama ķēdes reakcija, ko pavada milzīga enerģijas daudzuma momentāna izdalīšanās un liela iznīcināšana. Sprādzienbīstama reakcija sākas pieejamo spontānās dalīšanās neitronu vai kosmiskā starojuma neitronu dēļ. Pārvaldīts ķēdes reakcijas ko veic kodolreaktoros.

Kodola skaldīšana ir smaga atoma sadalīšana divos aptuveni vienādas masas fragmentos, ko pavada liela enerģijas daudzuma izdalīšanās.

Ar kodola skaldīšanas atklāšanu sākās jauns laikmets - "atomu laikmets". Tās iespējamās izmantošanas potenciāls un riska attiecība pret ieguvumiem no tā izmantošanas ir radījusi ne tikai daudzus socioloģiskus, politiskus, ekonomiskus un zinātniskus sasniegumus, bet arī nopietnas problēmas. Pat no tīri zinātniskā viedokļa radās kodola skaldīšanas process liels skaitlis mīklas un sarežģījumi, un tā pilnīgs teorētiskais skaidrojums ir nākotnes jautājums.

Dalīšanās ir izdevīga

Saistīšanas enerģijas (uz vienu nukleonu) dažādiem kodoliem atšķiras. Smagākiem ir zemāka saistošā enerģija nekā tiem, kas atrodas periodiskās tabulas vidū.

Tas nozīmē, ka smagajiem kodoliem, kuru atomskaitlis ir lielāks par 100, ir izdevīgi sadalīties divos mazākos fragmentos, tādējādi atbrīvojot enerģiju, kas tiek pārvērsta fragmentu kinētiskajā enerģijā. Šo procesu sauc par sadalīšanu

Saskaņā ar stabilitātes līkni, kas parāda protonu skaita atkarību no neitronu skaita stabiliem nuklīdiem, smagāki kodoli dod priekšroku vairāk neitronu (salīdzinot ar protonu skaitu) nekā vieglāki. Tas liecina, ka līdz ar sadalīšanas procesu tiks emitēti daži "rezerves" neitroni. Turklāt viņi arī uzņems daļu atbrīvotās enerģijas. Urāna atoma kodola skaldīšanas pētījums parādīja, ka tiek atbrīvoti 3-4 neitroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Fragmenta atomskaitlis (un atommasa) nav vienāds ar pusi no pamatmasas. Atšķirība starp atomu masām, kas veidojas sadalīšanās rezultātā, parasti ir aptuveni 50. Tiesa, iemesls tam vēl nav līdz galam skaidrs.

238 U, 145 La un 90 Br saistīšanas enerģijas ir attiecīgi 1803, 1198 un 763 MeV. Tas nozīmē, ka šīs reakcijas rezultātā tiek atbrīvota urāna kodola skaldīšanas enerģija, kas vienāda ar 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontāna sadalīšanās

Dabā ir zināmi spontānas šķelšanās procesi, taču tie ir ļoti reti. Šī procesa vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 10 17 gadi, un, piemēram, viena un tā paša radionuklīda alfa sabrukšanas vidējais mūžs ir aptuveni 10 11 gadi.

Iemesls tam ir tāds, ka, lai sadalītos divās daļās, kodols vispirms ir jādeformē (izstiepj) elipsoidālā formā, un pēc tam, pirms beidzot sadalās divos fragmentos, vidū jāveido “kakls”.

Potenciālais šķērslis

Deformētā stāvoklī uz serdi iedarbojas divi spēki. Viens no tiem ir palielināta virsmas enerģija (šķidruma piliena virsmas spraigums izskaidro tā sfērisko formu), bet otrs ir Kulona atgrūšanās starp skaldīšanas fragmentiem. Kopā tie rada potenciālu barjeru.

Tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, lai notiktu spontāna urāna atoma kodola skaldīšana, fragmentiem ir jāpārvar šī barjera, izmantojot kvantu tunelēšanu. Barjera ir aptuveni 6 MeV, tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, taču alfa daļiņas tunelēšanas varbūtība ir daudz lielāka nekā daudz smagākam atoma skaldīšanas produktam.

piespiedu sadalīšana

Daudz lielāka iespējamība ir inducētā urāna kodola skaldīšanās. Šajā gadījumā mātes kodols tiek apstarots ar neitroniem. Ja vecāks to absorbē, tie saistās, atbrīvojot saistošo enerģiju vibrācijas enerģijas veidā, kas var pārsniegt 6 MeV, kas nepieciešami potenciālās barjeras pārvarēšanai.

Ja papildu neitrona enerģija nav pietiekama, lai pārvarētu potenciālo barjeru, krītošajam neitronam ir jābūt minimālai kinētiskajai enerģijai, lai tas varētu izraisīt atoma šķelšanos. 238 U gadījumā papildu neitronu saistīšanas enerģija ir aptuveni 1 MeV. Tas nozīmē, ka urāna kodola skaldīšanu izraisa tikai neitrons, kura kinētiskā enerģija ir lielāka par 1 MeV. No otras puses, 235 U izotopam ir viens nepāra neitrons. Kodols uzņemot papildu vienu, tas veido ar to pāri, un šīs pārošanas rezultātā parādās papildu saistīšanas enerģija. Tas ir pietiekami, lai atbrīvotu kodolam nepieciešamo enerģijas daudzumu, lai pārvarētu potenciālo barjeru, un izotopu skaldīšanās notiek sadursmē ar jebkuru neitronu.

beta sabrukšana

Lai gan skaldīšanas reakcija izstaro trīs vai četrus neitronus, fragmenti joprojām satur vairāk neitronu nekā to stabilie izobāri. Tas nozīmē, ka šķelšanās fragmenti parasti ir nestabili pret beta sabrukšanu.

Piemēram, kad notiek urāna 238U skaldīšana, stabilais izobārs ar A = 145 ir neodīma 145Nd, kas nozīmē, ka lantāna 145La fragments sadalās trīs posmos, katru reizi izstarojot elektronu un antineitrīnu, līdz veidojas stabils nuklīds. Stabilais izobārs ar A = 90 ir cirkonijs 90 Zr, tāpēc broma 90 Br šķelšanās fragments sadalās piecos β-sabrukšanas ķēdes posmos.

Šīs β-sabrukšanas ķēdes atbrīvo papildu enerģiju, ko gandrīz visu aiznes elektroni un antineitrīni.

Kodolreakcijas: urāna kodolu skaldīšanās

Tieša neitronu emisija no nuklīda, kurā to ir pārāk daudz, lai nodrošinātu kodola stabilitāti, ir maz ticama. Lieta ir tāda, ka nav Kulona atgrūšanas, un tāpēc virsmas enerģija mēdz uzturēt neitronu saiknē ar vecāku. Tomēr dažreiz tas notiek. Piemēram, 90 Br skaldīšanas fragments pirmajā beta sabrukšanas stadijā rada kriptonu-90, kas var būt ierosinātā stāvoklī ar pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu virsmas enerģiju. Šajā gadījumā neitronu emisija var notikt tieši, veidojoties kriptonam-89. joprojām ir nestabils attiecībā pret β sabrukšanu, līdz tas tiek pārveidots par stabilu itriju-89, tā ka kriptons-89 sadalās trīs posmos.

Urāna kodolu skaldīšana: ķēdes reakcija

Dalīšanās reakcijā emitētos neitronus var absorbēt cits mātes kodols, kas pēc tam pats tiek pakļauts inducētai skaldīšanai. Urāna-238 gadījumā trīs radītie neitroni izdalās ar enerģiju, kas mazāka par 1 MeV (urāna kodola skaldīšanas laikā atbrīvotā enerģija - 158 MeV - galvenokārt tiek pārvērsta skaldīšanas fragmentu kinētiskajā enerģijā ), tāpēc tie nevar izraisīt šī nuklīda turpmāku skaldīšanu. Neskatoties uz to, ievērojamā retā izotopa 235 U koncentrācijā šos brīvos neitronus var uztvert 235 U kodoli, kas patiešām var izraisīt skaldīšanu, jo šajā gadījumā nav enerģijas sliekšņa, zem kura netiek ierosināta skaldīšanās.

Tas ir ķēdes reakcijas princips.

Kodolreakciju veidi

Apzīmēsim k neitronu skaitu, kas radušies skaldāmā materiāla paraugā šīs ķēdes n posmā, dalīts ar neitronu skaitu, kas radušies posmā n - 1. Šis skaitlis būs atkarīgs no tā, cik neitronu, kas ražoti n - 1 posmā, ir absorbēti. ar kodolu, kas var būt spiests dalīties.

Ja 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.

Ja k > 1, tad ķēdes reakcija pastiprināsies, līdz tiks izmantots viss skaldāmais materiāls, kas tiek panākts, bagātinot dabisko rūdu, lai iegūtu pietiekami lielu urāna-235 koncentrāciju. Sfēriskam paraugam k vērtība palielinās, palielinoties neitronu absorbcijas varbūtībai, kas ir atkarīga no sfēras rādiusa. Tāpēc, lai notiktu urāna kodolu sadalīšanās (ķēdes reakcija), masai U ir jāpārsniedz noteikts daudzums.

Ja k = 1, tad notiek kontrolēta reakcija. To izmanto kodolreaktoros. Procesu kontrolē, sadalot kadmija vai bora stieņus starp urānu, kas absorbē lielāko daļu neitronu (šiem elementiem ir spēja uztvert neitronus). Urāna kodola skaldīšana tiek automātiski kontrolēta, pārvietojot stieņus tā, lai k vērtība paliktu vienāda ar vienu.

>> urāna skaldīšana

107. § URĀNA KODOLU šķELŠANA

Tikai dažu smago elementu kodolus var sadalīt daļās. Kodolu dalīšanās laikā tiek izstaroti divi vai trīs neitroni un stari. Tajā pašā laikā tiek atbrīvots daudz enerģijas.

Urāna skaldīšanas atklāšana. Urāna kodolu skaldīšanu 1938. gadā atklāja vācu zinātnieki O. Hāns un F. Štrasmans. Viņi konstatēja, ka, bombardējot urānu ar neitroniem, rodas periodiskās sistēmas vidusdaļas elementi: bārijs, kriptons utt. Tomēr šī fakta pareiza interpretācija tieši kā urāna kodola sadalīšanās, kas notvēra neitronu, tika sniegta pie 1939. gada sākumā angļu fiziķis O. Frišs kopā ar austriešu fiziķi L. Meitneru.

Neitrona uztveršana iznīcina kodola stabilitāti. Kodols ir satraukts un kļūst nestabils, kas noved pie tā sadalīšanās fragmentos. Kodola skaldīšana ir iespējama, jo smagā kodola miera masa ir lielāka par to fragmentu miera masu summu, kas rodas skaldīšanas laikā. Tāpēc notiek enerģijas izdalīšanās, kas līdzvērtīga atlikušās masas samazinājumam, kas pavada skaldīšanu.

Smago kodolu dalīšanās iespējamību var izskaidrot arī, izmantojot īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarības grafiku no masas skaitļa A (sk. 13.11. att.). Periodiskajā sistēmā esošo elementu atomu kodolu īpatnējā saistīšanās enerģija pēdējās vietas(A 200), aptuveni par 1 MeV mazāk nekā īpatnējā saistīšanās enerģija elementu kodolos, kas atrodas periodiskās sistēmas vidū (A 100). Tāpēc periodiskās sistēmas vidusdaļā smago kodolu sadalīšanās process elementu kodolos ir enerģētiski labvēlīgs. Pēc skaldīšanas sistēma nonāk stāvoklī ar minimālu iekšējo enerģiju. Galu galā, jo lielāka ir kodola saistīšanas enerģija, jo lielāka enerģija ir jāatbrīvo kodola veidošanā un līdz ar to, jo mazāk iekšējā enerģija jaunizveidotā sistēma.

Kodola skaldīšanas laikā saistīšanās enerģija uz vienu nukleonu palielinās par 1 MeV, un kopējai atbrīvotajai enerģijai vajadzētu būt milzīgai - apmēram 200 MeV. Neviena cita kodolreakcija (kas nav saistīta ar skaldīšanu) neizdala tik lielas enerģijas.

Urāna kodola skaldīšanas laikā atbrīvotās enerģijas tiešie mērījumi apstiprināja iepriekš minētos apsvērumus un deva vērtību 200 MeV. Turklāt lielākā daļa šīs enerģijas (168 MeV) krīt uz fragmentu kinētisko enerģiju. 13.13. attēlā redzamas skaldāmā urāna fragmentu pēdas mākoņu kamerā.

Kodola skaldīšanas laikā izdalītajai enerģijai ir elektrostatiska, nevis kodolenerģijas izcelsme. Lielā kinētiskā enerģija, kas piemīt fragmentiem, rodas to Kulona atgrūšanas dēļ.

kodola skaldīšanas mehānisms. Kodola dalīšanās procesu var izskaidrot, pamatojoties uz kodola kritiena modeli. Saskaņā ar šo modeli nukleonu ķekars atgādina uzlādēta šķidruma pilienu (13.14. att., a). Kodolspēki starp nukleoniem ir maza diapazona, tāpat kā spēki, kas darbojas starp šķidruma molekulām. Līdzās spēcīgajiem elektrostatiskās atgrūšanās spēkiem starp protoniem, kas mēdz saplēst kodolu, pastāv vēl lielāki kodola pievilkšanas spēki. Šie spēki neļauj kodolam sadalīties.

Urāna-235 kodols ir sfērisks. Absorbējis papildu neitronu, tas tiek uzbudināts un sāk deformēties, iegūstot iegarenu formu (13.14. att., b). Kodols tiks izstiepts, līdz atgrūdošie spēki starp izstieptā serdeņa pusēm sāks gūt virsroku pār pievilkšanās spēkiem, kas darbojas štatā (13.14. att., c). Pēc tam to saplēš divās daļās (13.14. att., d).

Kulona atgrūšanas spēku iedarbībā šie fragmenti izlido ar ātrumu, kas vienāds ar 1/30 no gaismas ātruma.

Neitronu emisija skaldīšanas laikā. Kodola skaldīšanas pamatfakts ir divu vai trīs neitronu emisija skaldīšanas laikā. Tas padarīja to iespējamu praktiska izmantošana intranukleārā enerģija.

Ir iespējams saprast, kāpēc tiek emitēti brīvie neitroni, ņemot vērā šādus apsvērumus. Ir zināms, ka neitronu skaita attiecība pret protonu skaitu stabilos kodolos palielinās, palielinoties atomu skaitam. Tāpēc fragmentos, kas rodas skaldīšanas rezultātā, neitronu relatīvais skaits izrādās lielāks par pieļaujamo atomu kodoliem, kas atrodas periodiskās tabulas vidū. Tā rezultātā skaldīšanas procesā tiek atbrīvoti vairāki neitroni. Viņu enerģija ir dažādas nozīmes- no vairākiem miljoniem elektronvoltu līdz ļoti mazam, tuvu nullei.

Sadalīšanās parasti notiek fragmentos, kuru masas atšķiras aptuveni 1,5 reizes. Šie fragmenti ir ļoti radioaktīvi, jo tajos ir pārmērīgs neitronu daudzums. Secīgu sabrukšanas rezultātā galu galā tiek iegūti stabili izotopi.

Noslēgumā mēs atzīmējam, ka notiek arī urāna kodolu spontāna skaldīšanās. To atklāja padomju fiziķi G. N. Flerovs un K. A. Petržaks 1940. gadā. Spontānas skaldīšanas pussabrukšanas periods ir 10 16 gadi. Tas ir divus miljonus reižu garāks nekā urāna sabrukšanas pussabrukšanas periods.

Kodola skaldīšanas reakciju pavada enerģijas izdalīšanās.

Nodarbības saturs nodarbības kopsavilkums atbalsta rāmis nodarbības prezentācijas akseleratīvas metodes interaktīvās tehnoloģijas Prakse uzdevumi un vingrinājumi pašpārbaudes darbnīcas, apmācības, lietas, uzdevumi mājasdarbi diskusijas jautājumi retoriski jautājumi no studentiem Ilustrācijas audio, video klipi un multivide fotogrāfijas, attēli, grafika, tabulas, shēmas, humors, anekdotes, joki, komiksi līdzības, teicieni, krustvārdu mīklas, citāti Papildinājumi tēzes raksti mikroshēmas zinātkāriem apkrāptu lapas mācību grāmatas pamata un papildu terminu glosārijs cits Mācību grāmatu un stundu pilnveidošanakļūdu labošana mācību grāmatā Inovācijas elementu fragmenta atjaunošana mācību grāmatā mācību stundā novecojušo zināšanu aizstāšana ar jaunām Tikai skolotājiem ideālas nodarbības kalendāra plāns uz gadu vadlīnijas diskusiju programmas Integrētās nodarbības