Почему при делении ядер выделяется энергия. Энергия деления

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.

См. также

Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30 .

Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ -кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

uran.swf Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

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

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

При делении ядер тяжелых атомов (\(~^{235}_{92}U\)) выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

См. также

Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. - 1986. - № 5. - С. 23-24

Цепная реакция

Цепная реакция - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.

reakcia.swf Flash: цепная реакция Увеличить Flash Рис. 4.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

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

Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

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

Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К , который измеряется отношением числа N i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

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

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К . К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(~^{235}_{92}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерная бомба

В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.

Рис. 5. Атомная бомба

1.8. Деление ядер

1.8.1. Реакции деления тяжелых ядер. Механизм деления ядра и энергия активации . Состав продуктов деления ядра и энергия деления. Элементарная теория деления

Деление ядер – ядерная реакция, при которой образуется два (реже три) ядра-осколка. Процесс сопровождается вылетом вторичных нейтронов, квантов и выделением значительного количества энергии.

Историческая справка. В 1938 г. в Ганн и Ф. Штрасман точным радиохимическим анализом показали, что при облучении урана нейтронами в нем образуется элемент барий, который находится в середине таблицы Менделеева. Реакция имела вид

, (Q≈ 200 МэB). (1.82)

Существует более 30 выходных каналов деления урана-235. Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками во Франции и Э. Ферми с сотрудниками в Италии обнаружили испускание нескольких нейтронов в выходном канале. О. Фриш и Л. Мейтнер в Германии отметили громадную величину энергии, выделяющуюся при делении. Это послужило выдвижению идеи о самоподдерживающейся ядерной реакции деления. В 1940 г. и в России открыли спонтанное деление ядер. Основой современной ядерной энергетики служит деление ядер урана, и плутония под действием нейтронов. Ядерная эра началась с 1938 г.

Деление ядер может происходить также под действием протонов, γ-квантов, α-частиц и др. Вынужденное деление возбужденного ядра нейтроном (n , f ) конкурирует с другими процессами: с радиационным захватом нейтрона (n , γ ), т. е испусканием γ-кванта и рассеянием нейтрона на ядре (n , n ).

Вероятность деления ядра определяется отношением сечения деления σ f ядра к полному сечению захвата нейтрона.

Изотопы , , делятся нейтронами всех энергий, начиная с нуля. В ходе сечений деления этих изотопов появляются резонансы, соответствующие уровням энергии делящегося ядра (см. рис. 1.13).

Механизм деления ядра и энергия активации

Процесс деления ядра объясняется как деление однородной заряженной жидкой капли под действием кулоновских сил (М, Уиллер, 1939). Чтобы разделиться, ядро должно приобрести определенную критическую энергию, называемую энергией активации. После захвата нейтрона образуется составное возбужденное ядро. Возбужденное ядро начинает колебаться. Объем ядра не меняется (ядерная материя практически несжимаема), но поверхность ядра увеличивается. Поверхностная энергия возрастает, следовательно, силы поверхностного натяжения стремятся вернуть ядро в исходное состояние. Кулоновская энергия уменьшается по абсолютной величине за счет увеличения среднего расстояния между протонами. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро. Ядро из сферической формы переходит в эллипсоидальную, затем происходит квадрупольная деформация ядра, образуется перетяжка, ядро превращается в гантель, которая рвется, образуя два осколка, и «брызги» – пару нейтронов.

Характеристикой способности ядра к делению является отношение кулоновской энергии к поверхностной энергии, взятых из полуэмпирической формулы для энергии связи ядра

, (1.83)

где – параметр делимости .

Ядра с параметром делимости >17 могут делиться, с критическим параметром делимости ()кр = 45 сразу делятся (условие спонтанного деления ядер). Чтобы ядро могло разделиться, оно должно преодолеть энергетический барьер, называемый барьером деления. Эту энергию в случае вынужденного деления ядро получает при захвате нейтрона.

Состав продуктов деления

Осколки деления . Основным типом деления ядра является деление на два осколка. Осколки делятся по массе ассиметрично в соотношении два к трем. Выход продуктов деления определяется как отношение числа делений, дающих осколок с данным А к полному числу делений. Поскольку в каждом акте деления получается два ядра, полный выход на одно деление для всех массовых чисел составляет 200%. Распределение масс осколков при делении ядра показано на рис. 1.14. На рисунке изображена типичная двугорбая кривая распределения полного выхода деления тепловыми нейтронами. Импульсы осколков равны и противоположны по знаку. Скорости осколков достигают ~107 м/с.

Рис.1.14. Зависимость выходов продуктов деления урана-235 и плутония-239 под действием тепловых нейтронов от массового числа А.

Нейтроны деления . В момент образования осколки первоначального ядра сильно деформированы. Избыток потенциальной энергии деформации переходит в энергию возбуждения осколков. Осколки деления имеют большой заряд и переобогащены нейтронами, как исходное ядро. Они переходят в стабильные ядра, выбрасывая вторичные нейтроны и γ-кванты. Возбуждение ядер осколков снимается «испарением» нейтронов.

Мгновенными нейтронами деления называются нейтроны, испускаемые возбужденными осколками за время, меньшее 4 10-14 сек. Они испаряются из осколков изотропно.

В лабораторной системе координат (л. с.к.) энергетический спектр нейтронов деления хорошо описывается максвелловским распределением

, (1.84)

где Е – энергия нейтрона в л. с.к..gif" width="63 height=46" height="46"> – средняя энергия спектра.

Число v вторичных нейтронов на 1 акт деления тепловыми нейтронами составляет для урана-235 v = 2,43 , плутония-239 v = 2,89. (например, одновременно на 100 актов деления образуется 289 вторичных нейтронов).

Излучение γ-квантов . После «испарения» нейтронов из осколков у них остается энергия возбуждения, которая уносится мгновенными γ-квантами. Процесс излучения γ-квантов происходит за время ~ 10-14 с вслед за испусканием нейтронов. Полная эффективная энергия излучения на 1 деление Е полн = 7,5 МэВ..gif" width="67" height="28 src="> МэВ. Среднее число γ-квантов на 1 деление .

Запаздывающие нейтроны – нейтроны, появляющиеся после деления исходных ядер (от 10-2 сек до 102 сек). Количество запаздывающих нейтронов < 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β -распадом осколков деления вида , , у которых энергия β -распада больше энергии связи нейтрона. В этом случае существует запрет β -перехода в основное состояние и малая энергия отделения нейтрона. Энергия возбуждения ядра больше энергии связи нейтрона. Нейтрон вылетает мгновенно после образования возбужденного ядра из ядра-осколка в результате его β -распада. Однако по времени это происходит только после периода полураспада ядра-осколка.

Распределение энергии на 1 акт деления тяжелого ядра тепловыми нейтронами показано в табл. 1.4.

Энергия продуктов деления ядра Таблица 1.4

	Кинетическая энергия легкого осколка Т оск л, МэB
	Кинетическая энергия тяжелого осколка Т оск т МэB
	Кинетическая энергия нейтронов деления Е n МэB
	Энергия мгновенных γ-квантов Еγ м МэB
	Энергия β -частиц продуктов деления Еβ МэB
	Энергия γ-излучения продуктов деления Еγ пр МэB
	Энергия антинейтрино продуктов деления Е v МэB
	Энергия γ-излучения вследствии захвата нейтрона Еγ n МэB
	Суммарная энергия выделяемая при делении ядра Q Σ МэB

Тепловая энергия деления

QT = Т оск л + Т оск т + Е n + Еγ м+ Еβ + Еγ пр + Еγ = 204 МэB.

Уносимая антинейтрино энергия не выделяется в виде тепловой энергии, поэтому на 1 акт деления ядра тепловым нейтроном приходится ~ 200 МэB. При тепловой мощности в 1 Вт происходит 3,1.1010 делений/сек. В химических реакциях на один атом приходится энергия ~ 1 эB.

Элементарная теория деления

Предположим, что в процессе деления https://pandia.ru/text/78/550/images/image028_18.gif" width="31" height="27 src="> сохраняется массовое число А и заряд Z . Это значит, что мы учитываем только осколки:

A 1+ A 2 = A , Z 1+ Z 2 = Z ,

ядро делится в соотношении 2 к 3:

A 1 / A 2 = Z 1 / Z 2=2/3.

Энергия реакции равна энергии осколков Q = T ock

Q = c 2 [M – (M 1 + M 2 ) ],

Q = Е св1 + Е св2 – Е св , (1.85)

где E св – полная энергия связи ядра относительно всех составляющих его нуклонов

, (1.86)

аналогично Е св1 , Е св2 – энергии связи первого и второго осколков.

Подставляя (1.86) и обе формулы для Е св1, Е св2 в (1.85) и пренебрегая последним слагаемым, получаем

. (1.87)

Полагая согласно (1.15) = 17,23 МэB, https://pandia.ru/text/78/550/images/image026_22.gif" width="31" height="20"> получаем кинетическую энергию осколков Tock ≈178 МэB, что превышает всего на 10 МэB табличное значение.

1.8.2. Цепные реакции деления ядер урана. Формула для размножения в цепной реакции. Коэффициенты размножения. Формула четырех сомножителей

Ядерные цепные реакции деления тяжелых ядер нейтронами – это ядерные реакции, в которых число нейтронов возрастает и возникает самоподдерживающийся процесс деления ядер вещества. Химические и ядерные разветвленные цепные реакции всегда экзотермические. Цепная реакция деления осуществима практически на трех изотопах и возможна только потому, что при делении ядра первичным нейтроном вылетает больше двух вторичных нейтронов в выходном канале.

Коэффициент размножения К – основная характеристика развития ядерной цепной реакции.

где Ni – число нейтронов, возникших в i -поколение, Ni –1 – число нейтронов, возникших в (i –1)-поколение.

Теория цепных ядерных реакций была создана и в 1939 г. по аналогии с теорией химических цепных реакций (1934). Самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция возможна, когда K >1 – реакция надкритическая, K =1 – реакция критическая. Если K <1 – реакция подкритическая, она затухает.

Формула для размножения нейтронов в цепной реакции

Если в начале реакции имеется n нейтронов, тогда за одно поколение их число станет

Т. е..gif" width="108" height="48">,

где τ – среднее время жизни одного поколения нейтронов

Если разделим переменные и проинтегрируем, то получим

используя формулу , получаем окончательно, что число нейтронов возрастает со временем t по экспоненте с положительным показателем

https://pandia.ru/text/78/550/images/image027_18.gif" width="37" height="23"> медленными нейтронами и с делением ядер быстрыми нейтронами.

Коэффициенты размножения. Формула четырех сомножителей

Пусть система уран + замедлитель имеет бесконечные размеры. Предположим, что, в момент рождения поколения нейтронов поглощается n тепловых нейтронов, каждый из которых образует https://pandia.ru/text/78/550/images/image058_8.gif" width="126" height="37">, (1.91)

где σU – сечение поглощения ураном замедленных тепловых нейтронов,

σ3 – сечение поглощения замедлителем замедленных тепловых нейтронов,

ρU-концентрация ядер урана, ρ3 – концентрация ядер замедлителя.

Таким образом, число тепловых нейтронов, захваченных ядерным горючим, составляет (n ηεр f ). Коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде (формула четырех сомножителей)

. (1.92)

Коэффициент размножения нейтронов в конечной среде

Кэф =, (1.93)

где – полная вероятность того, что нейтрон избежит утечки из активной зоны .

Чтобы в конечной системе происходила стационарная ядерная цепная реакция, достаточно Кэф =1. Этому соответствует критический (наименьший для протекания реакции) размер активной зоны. (Для чистого урана это шар радиусом 8,5 см и массой 47 кг)..gif" width="25 height=23" height="23">>1.

Впервые управляемая ядерная цепная реакция была осуществлена Э. Ферми в Чикаго в 1942г. Ядерный реактор имел η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf ≈ 0,8, = 1,08, для К эф необходимо θ0,93, что соответствует размеру 5÷10 м. Ядерный реактор, построенный в Москве в 1946 г., имел аналогичные параметры.

Деление ядрам -- процесс расщепления атомного ядра на два ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер -- экзотермический процесс , в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

В 1938 году немецкие учёные О. Ганн и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы - барий и лантан, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.

Деление тяжелых ядер происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления.

Физики А. Мейтнер и О. Фриш объяснили это явление тем, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две части, получившие название осколков . Вариантов деления насчитывается более двухсот, например:

235U + 1 n > 139 Xe + 95 Sr + 2 1 n.
92 0 54 38 0

При этом на одно ядро изотопа урана 235 U выделяется 200 МэВ энергии.

Большую часть этой энергии получают ядра-осколки, остальная приходится на кинетическую энергию нейтронов деления и энергию излучения.

Для синтеза одноименно заражённых протонов необходимо преодоление кулоновских сил отталкивания, что возможно при достаточно высоких скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звёзд. На земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Поскольку у тяжёлых ядер соотношение числа нейтронов и протонов N/Z ?1,6, а у более легких ядер - осколков оно близко к единице, осколки в момент своего возникновения оказываются перегруженными нейтронами, чтобы перейти в стабильное состояние, они испускают вторичные нейтроны. Испускание вторичных нейтронов является важной особенностью реакции деления тяжёлых ядер, поэтому вторичные нейтроны называют еще нейтронами деления . При делении каждого ядра урана испускаются 2-3 нейтрона деления. Вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k, равным отношению числа нейтронов на данном этапе реакции к числу их на предыдущем этапе. Если k < 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k > 1 идёт развивающаяся цепная реакция, число делений лавинообразно нарастает и реакция может стать взрывной. При k=1 идёт самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов остаётся постоянным. Именно такая цепная реакция осуществляется в ядерных реакторах.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также от размеров и формы активной зоны - пространства, в котором происходит цепная реакция. Не все нейтроны, обладающие энергией достаточно для деления ядра, участвуют в цепной реакции - часть их «застревает» в ядрах неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне, а часть покидает активную зону, размеры которой конечны, раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром (утечка нейтронов). Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются критическими размерами , а минимальная масса делящихся веществ, находящихся в системе критических размеров, называется критической массой. Так, в куске чистого урана 92 235 U каждый нейтрон, захваченный ядром вызывает деление с испусканием в среднем 2,5 вторичных нейтронов, но если масса такого урана меньше 9 кг., то большинство нейтронов вылетают наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. Поэтому вещества, ядра которых способны делиться, хранят в виде изолированных друг от друга кусков, меньших критической массы. Если быстро и плотно соединить несколько таких кусков, так что их суммарная масса превысит критическую массу, начнётся лавинообразное размножение нейтронов, и цепная реакция приобретет неуправляемый взрывной характер. На этом основано устройство атомной бомбы.

Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии - реакция синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большой концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно для возникновения цепной термоядерной реакции. В этом процессе быстрое тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сама реакция - за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очень высокой (107 - 108 К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомных ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:

1) медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд;
2) быстрая самоподдерживающая термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы;
3) управляемая термоядерная реакция.

Неуправляемая термоядерная реакция - это водородная бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:

Д + Д -> Не3 + n; Д + Д -> Т + р; Т + Д -> Не4 + n,

приводящего к синтезу изотопа гелия He3, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не4, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь n - это нейтрон, а р - протон, Д - дейтерий и Т - тритий.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Вид занятия. Лекция.

Цель.

Дидактическая . Дать понятие о реакции деления атомных ядер, изучить физические основы получения ядерной энергии при делении тяжелых атомных ядер; рассмотреть управляемые цепные реакции, устройство и принцип действия ядерных реакторов; усвоить информацию о применении радиоактивных изотопов и биологическом действии радиоактивных излучений
Воспитательная . Воспитывать умение работать в коллективе, чувство ответственности за общее дело, воспитывать заинтересованность дисциплиною, стремление получить новые знания самостоятельно; способствовать формированию познавательного интереса, развитию технических навыков в процессе обучения.
Методическая . Применение компьютерных технологий: презентаций, интерактивных лекций, виртуальных моделей.

Методы: словесный, наглядный; эвристический, беседа; фронтальный опрос

Структура урока

№1 Организационная часть урока

1. Приветствие.

2. Проверка наличия учеников и готовности их к уроку.

№2. Сообщение темы, цели и основных задач урока.

План лекции

1. Деление ядер урана при облучении нейтронами.

1.1. Выделение энергии при делении ядер урана.

1.2.Цепная реакция и условия ее возникновения.

Ядерный реактор. Атомная электростанция.

2.1. Основные элементы ядерного реактора и его виды.

2.2. Применение ядерной энергии.

Биологическое действие радиоактивных излучений.

№3. Актуализация опорных знаний учеников:

1.Состав ядра.

2.Радиоактивность.

3. Ядерные реакции.

4. - распад.

5. распад.

6. Энергетический выход реакции.

7. Дефект масс.

8. Энергия связи ядра.

9. Удельная энергия связи ядра.

Лист опроса (проверка знания формул, законов, закономерностей) (слайд №3 ).

№4. Мотивация учебной деятельности учеников

Структурные элементы урока

1. Деление ядер урана при облучении нейтронами

Атомные ядра, содержащие большое число нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. В 1938 г. немецкие ученые Отто Ганн и Франц Штрассман наблюдали деление ядра урана U под действием медленных нейтронов. Однако правильное истолкование этого факта, именно как деление ядра урана захватившего, нейтрон, было дано в начале 1939 г. английским физиком О. Фришем совместно с австрийским физиком Л. Мейтнер. Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, поглотившего нейтрон, на две приблизительно равные части (осколками деления).

Возможность деления тяжелых ядер можно также объяснить с помощью графика зависимости удельной энергии связи от массового числа А(слайд №4).

График зависимости удельной энергии связи от массового числа

Удельная энергия связи ядер атомов, занимающих в периодической системе последние места (А 200), примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи в ядрах элементов, находящихся в середине периодической системы (А 100). Поэтому процесс деления тяжелых ядер на ядра элементов средней части периодической системы является “энергетически выгодным”. Система после деления переходит в состояние с минимальной внутренней энергией. Ведь чем больше энергия связи ядра, тем большая энергия должна выделяться при образовании ядра и, следовательно, тем меньше внутренняя энергия образовавшейся вновь системы.

При делении ядра энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной - порядка 200 МэВ на ядро. Не при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется. Сопоставим эту энергию с энергией, выделяемой при сгорании топлива. При делении 1 кг урана-235 выделится, энергия, равная . При сгорании же 1 кг угля выделится энергия, равная 2,9·10 6 Дж, т.е. в 28 млн. раз меньше. Этот расчет хорошо иллюстрирует преимущество ядерной энергетики.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана U, подтвердили приведенные соображения и дали величину 200 МэВ . Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков.

Использование именно нейтронов для деления ядер обусловлено их электро нейтральностью. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает хрупкую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Возникающие пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра (обозначим U*) являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии. Их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа U*, т. е. к его делению на ядра меньшей массы, называемые осколками деления. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся примерно как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135-145, а мелкие от 90 до 100. В результате реакции деления ядра урана U образуются два или три нейтрона. Одна из возможных реакций деления ядра урана протекает по схеме:

Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов:

1. Задание ученикам: восстановить реакцию.

2. Задание ученикам : подпишите элементы рисунка.

1.1 Выделение энергии при деления ядер урану

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. При полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

Процесс деления атомного ядра можно объяснить на основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости. Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада.

Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, ядро начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (слайд №5 ). Ядро растягивается до тех пор, пока силы электрического отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами ядерного притяжения, действующими в перешейке. После этого ядро разрывается на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. (видеофрагмент №6 )

1.2 Цепная реакция и условия её возникновения

Любой из нейтронов, вылетающий из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Цепной ядерной реакцией называется реакция, в которой нейтроны образуются как продукты этой реакции, способные вызывать деление других ядер. (слайд №7 ).

Суть этой реакции заключается в том, что испущенные при делении одного ядра N нейтронов могут вызвать деление N ядер, в результате чего будет испущено N 2 новых нейтронов, которые вызовут деление N 2 ядер, и т. д. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. В целом процесс носит лавинообразный характер, протекает весьма быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов k- отношение числа нейтронов в данном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе.

Если k 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остаётся постоянным и цепная реакция идет.

Если k < 1, то число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.

При k = 1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется неизменным. Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения.

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная реакция.

Это равенство k = 1 необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв. Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема урановой среды. Чем больше этот объем, тем большее число нейтронов выделяется при делении ядер. Начиная с некоторого минимально-критического объема урана, имеющего определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самоподдерживающейся. Очень важным фактором, влияющим на ход ядерной реакции, является наличие замедлителя нейтронов. Дело в том, что ядра урана-235 делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода и некоторые другие.

Для чистого урана U, имеющего форму шара, критическая масса приблизительно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см. Применяя замедлитель нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

(видеофрагмент №8 )

2. Ядерный реактор

2.1. Основные элементы ядерного реактора него виды

Ядерным реактором называется устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

Впервые управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена в 1942 году в США под руководством итальянского физика Ферми. Цепная реакция с коэффициентом размножения нейтроновk= 1,0006 длилась в течение 28 минут, после чего реактор был остановлен.

Основными элементами ядерного реактора являются:

Ядерное топливо располагается в активной зоне в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). ТВЭЛы предназначены для регулирования мощности реактора. Масса каждого топливного стержня значительно меньше критической, поэму в одном стержне цепная реакция происходить не может. Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней. Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающего нейтроны и другие частицы.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k > 1, а при полностью вдвинутых - к < 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Реактор на медленных нейтронах. Наиболее эффективное деление ядер U происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их последующее взаимодействие с ядрами U в цепной реакции было наиболее эффективно, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель - вещество (тяжелая вода, графит)

Вопрос ученикам: Почему применяются именно эти вещества? Тяжелая вода – содержит большое количество нейтронов, которые сталкиваясь с быстрыми нейтронами, выделяющимися в результате деления, замедляют их в соответствии с законом сохранения импульса.

Реактор на быстрых нейтронах. Природного урана-235 на Земле очень мало, всего лишь 0,715% от всей массы урана. Основную часть природного урана (99,28%) составляет изотоп урана-238, который непригоден в качестве “ядерного топлива”.

В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1-2%. Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в которых обеспечивается также воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония.

Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при работе образуется значительное количество плутония Pu, важнейшее свойство изотопа Pu - его способность делиться под действием тепловых нейтронов, как и изотопU , который затем можно использовать в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал. Поэтому очень важной задачей ядерной энергетики ближайшего будущего является переход от обычных реакторов к реакторам-размножителям (бридерам), которые служат не только источниками энергии, но и “фабриками плутония”. Перерабатывая уран-238 в плутоний, эти реакторы резко увеличивают запасы “ядерного топлива”.

С помощью ядерных реакций получены трансурановые элементы (следующие за ураном), т. е. элементы более тяжелые, чем уран. Эти элементы не существуют в природе, они получены искусственным путем.

Первый элемент с зарядовым числом, которое больше 92, получили в 1940 г. американские ученые в Калифорнийском университете, когда облучали уран нейтронами. Получение трансурановых элементов рассмотрим на примере получения нептуния и плутония:

Период полураспада нептуния - 2,3 суток, плутония – 2,44·10 4 лет, поэму его можно накапливать в больших количествах, что имеет большое значение при использовании ядерной энергии. На сегодняшний день получены следующие трансурановые элементы: америций (95), берклий (97), калифорний (98), эйнштейний (99), фермий (100), м (101), нобелий (102), лоуренсий (103), курчатовий (104).

2.2. Применение ядерной энергии

Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию. Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), преобразующей тепловую ядерную энергию в электрическую. В результате деления ядер в реакторе выделяется тепловая энергия. Эта энергия преобразуется в энергию пара, вращающего паровую турбину. Паровая турбина в свою очередь вращает ротор генератора, вырабатывающего электрический ток.

Таким образом, преобразование энергии происходит по следующей схеме:

внутренняя энергия ядер урана кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер внутренняя энергия воды внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора электрическая энергия.(видеофрагмент №11 ).

Задание ученикам: подпишите основные элементы реактора.(слайд №12 )

Проверка задания (слайд №13 )

При каждом акте деления выделяется энергия около 3,2·10 -11 Дж. Тогда мощности 3000 МВт соответствует примерно 10 18 актов деления в секунду. При делении ядер стенки ТВЭЛов сильно нагреваются. Отвод тепла из активной зоны осуществляется теплоносителем – водой. В мощных реакторах зона нагревается до температуры 300 °С. Во избежание закипания вода выводится из активной зоны в теплообмен под давлением порядка 10 7 Па (100 атм). В теплообменнике радиоактивная вода(теплоноситель), циркулирующая в первом контуре, отдает тепло обычной воде, циркулирующей во втором контуре. Передаваемое тепло превращает воду во втором контуре в пар. Этот пар с температурой около 230 °С под давлением 3·10 6 Па направляется на лопатки паровой турбины, а она вращает ротор генератора электрической энергии. Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осушествлено в1954 году в СССР в г. Обнинске. В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах

Успехи и перспективы развития атомной энергетики

Сравнение экологического действия от работы ЭС разных видов.

Экологическое влияние ГЭС (слайд №14 ):

затопление больших площадей плодородных земель;
подъйом уровня грунтовых вод;
заболоченность территорий и выведение из посевных значительных площадей земли;
“цветение” водойомов, что приводит к гибели рыб и других жителей водойомов.

Экологическое влияние ТЭС (слайд №15 ):

выделение большого количества теплоты;
загрязнение атмосферы газообразными выбросами;
радиоактивное загрязнение;
загрязнение земной поверхности шлаками и карьерами.

Экологическое влияние АЭС(слайд №16 ):

добыча и переработка урановых руд;
утилизация радиоактивных отходов;
значительное тепловое загрязнение воды, вследствие её нагревания.

На слайде №17 размещена таблица, показывающая распределение электроэнергии, которую вырабатывают разные электростанции.

Невозможно не вспомнить о событиях 1986 року (слайд №18 ). Последствия взрыва (слайд №19-22 )

Ядерные реакторы устанавливаются на атомных подводных лодках и ледоколах(К 19).

Ядерное оружие

Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в ядерной бомбе. Для того, чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран U или плутоний Pu.

При взрыве бомбы температура достигает миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни.

В 1945 г. США применили атомные бомбы против Японии (видеофрагмент №23-25 ). Последствия испытаний атомного оружия (видеофрагмент №26 )

Медицина

1. Биологическое действие радиоактивных излучений.

Радиоактивное излучение включает в себя гамма- и рентгеновское излучение, электроны, протоны, частицы, ионы тяжелых элементов. Его называют также ионизирующим излучением, так как, проходя через живую ткань, оно вызывает ионизацию атомов.

Даже слабые излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы, нарушая жизнедеятельность клеток. При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучения усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах. Инновации в медицине (слайд №27-29 )

Механизм поражающего биологические объекты действия еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Доза излучения. Характер воздействия ионизирующего излучения зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.

Доза поглощенного излучения - отношение энергии излучения поглощенной облучаемым телом, к его массе: .

В СИ дозу поглощенного излучения выражают в греях (1 Гр):

1 Гр равен дозе поглощенного излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2·10 -3 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 - 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

На практике широко используется внесистемная единица дозы излучения – рентген (1 Р). 1 Гр соответствует примерно 100 Р.

Эквивалентная доза.

В связи с тем, что при одной и той же дозе поглощения разные излучения вызывают различные биологические эффекты, для оценки этих эффектов была введена величина, называемая эквивалентной дозой (Н).

Эквивалентная доза поглощенного излучения определяется как произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

Единица эквивалентной дозы - зиверт (1 Зв).

1Зв равен эквивалентной дозе, при которой доза поглощенного -излучения равна 1 Гр.

Величина эквивалентной дозы определяет относительно безопасные и очень опасные для живого организма дозы облучения.

При оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм учитывают и то, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе.

Другими словами, каждый орган и ткань имеет определенный коэффициент радиационного риска (для легких, например, он равен 0,12, а для щитовидной железы - 0,03).

Поглощенная и эквивалентная дозы зависят от времени облучения. При прочих равных условиях эти дозы тем больше, чем больше время облучения.

Пищевые продукты, которые поддаются радиационной обработке (слайд №30 ).

Полулетальная поглощенная доза* для некоторых живых организмов (слайд №31 ).

Биологическое действие ионизированного облучения на человека (слайд №32 ).

Уровень радиационного облучения населения (слайд №33 ).

Защитное действие от ионизированного излучения сооружений и материалов (слайд №34 )

2. Защита организмов от излучения.

При работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите.

Самый простой метод защиты - это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

Для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов. Например, защитой от -излучения может служить слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наиболее сложна защита от излучения и нейтронов из-за большой проникающей способности. Лучшим поглотителем лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.(видеофрагмент №35 ).

Вопросы к ученикам в ходе изложения нового материала

1. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными частицами для бомбардировки атомных ядер?

2. Что происходит при попадании нейтрона в ядро урана?

3. Почему при делении ядер урана выделяется энергия?

4. От чего зависит коэффициент размножения нейтронов?

5. В чем заключается управление ядерной реакцией?

6. Для чего нужно, чтобы масса каждого уранового стержня была меньше критической массы?

7. Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?

8. Для чего в ядерном реакторе используется замедлитель нейтронов?

9. В чем причина негативного воздействия радиации на живые организмы?

10. Какие факторы следует учитывать при оценке воздействий ионизирующих излучений на живой организм?

№5. Подведение итогов урока

Хорошо известно, что энергия деления тяжёлых ядер, которая используется в практических целях – это кинетическая энергия осколков исходных ядер. Но каково происхождение этой энергии, т.е. какая энергия превращается в кинетическую энергию осколков?

Официальные воззрения на этот вопрос отличаются крайней непоследовательностью. Так, Мухин пишет, что большая энергия, освобождаемая при делении тяжёлого ядра, обусловлена разностью дефектов масс у исходного ядра и осколков – и получает, на основе этой логики, оценку выхода энергии при делении ядра урана: »200 МэВ. Но далее он пишет, что в кинетическую энергию осколков превращается энергия их кулоновского отталкивания – которая, когда осколки находятся впритык друг к другу, составляет те же »200 МэВ. Близость обеих этих оценок к экспериментальному значению, конечно, впечатляет, но уместен вопрос: в кинетическую энергию осколков превращается всё-таки разность дефектов масс или энергия кулоновского отталкивания? Вы уж определитесь, про что нам рассказываете – про бузину или про дядьку в Киеве!

Эту тупиковую дилемму теоретики создали сами: по их логике, им непременно требуется и разность дефектов масс, и кулоновское отталкивание. Откажись либо от того, либо от другого – и станет совсем очевидна никчёмность традиционных исходных предпосылок в физике ядра. Вот, например, зачем говорят о разности дефектов масс? Затем, чтобы хоть как-то объяснить саму возможность феномена деления тяжёлых ядер. Нас пытаются убедить в том, что деление тяжёлых ядер происходит потому, что оно энергетически выгодно. Что за чудеса? При делении тяжёлого ядра, часть ядерных связей разрушается – а энергии ядерных связей исчисляются МэВами! Нуклоны в ядре связаны на порядки сильнее, чем атомарные электроны. И опыт учит нас, что система устойчива как раз в области энергетической выгодности – а если бы ей было энергетически выгодно распасться, она распалась бы немедленно. Но залежи урановых руд в природе существуют! О какой же «энергетической выгодности» деления ядер урана может идти речь?

Чтобы абсурдность допущения о выгодности деления тяжёлого ядра не слишком бросалась в глаза, теоретики пустились на отвлекающий манёвр: они рассуждают об этой «выгодности» в терминах средней энергии связи, приходящейся на один нуклон . Действительно, с увеличением атомного номера, увеличивается и величина дефекта масс у ядра, но число нуклонов в ядре увеличивается быстрее – за счёт избыточных нейтронов. Поэтому у тяжёлых ядер полная энергия связи, пересчитанная на один нуклон, уменьшается с увеличением атомного номера. Казалось бы, тяжёлым ядрам делиться, в самом деле, выгодно? Увы, эта логика основана на традиционных представлениях о том, что ядерными связями охвачены все нуклоны в ядре. При таком допущении, средняя энергия связи на нуклон E 1 есть частное от деления энергии связи ядра DE на число нуклонов:

E 1 =DE /A , DE =(Zm p +(A-Z )m n )c 2 -(M ат -Zm e )c 2 , (4.13.1)

где Z - атомный номер, т.е. число протонов, A - число нуклонов, m p , m n и m e – массы, соответственно, протона, нейтрона и электрона, M ат - масса атома. Однако, неадекватность традиционных представлений о ядре мы уже проиллюстрировали выше (4.11 ). И если, по логике предложенной модели (4.12 ), при расчёте энергии связи на нуклон не учитывать те нуклоны в ядре, которые временно не охвачены ядерными связями, то мы получим формулу, отличную от (4.13.1). Если считать, что текущее число связанных нуклонов составляет 2Z (4.12 ), и что каждый из них связан лишь половину времени действия связи (4.12 ), то для средней энергии связи на нуклон мы получим формулу

E 1 * =DE /Z , (4.13.2)

которая отличается от (4.13.1) лишь знаменателем. Сглаженные функции E 1 (Z ) и E 1 * (Z ) приведены на Рис.4.13 . В отличие от привычного графика E 1 (Z ), помещённого во многие учебники, график E 1 * (Z ) имеет поразительную особенность: он демонстрирует, для тяжёлых ядер, независимость энергии связи на нуклон от числа нуклонов. Значит, из нашей модели (4.12 ) следует, что ни о какой «энергетической выгодности» деления тяжёлых ядер не может быть и речи – в согласии со здравым смыслом. Т.е., кинетическая энергия осколков не может быть обусловлена разностью дефектов масс исходного ядра и осколков.

Рис.4.13

В согласии с тем же здравым смыслом, в кинетическую энергию осколков не может превращаться энергия их кулоновского отталкивания: мы привели как теоретические аргументы (4.7 , 4.12 ), так и экспериментальные свидетельства (4.12 ) о том, что никакого кулоновского отталкивания у частиц, входящих в состав ядра, не существует.

Тогда каково же происхождение кинетической энергии осколков тяжёлого ядра? Прежде постараемся ответить на вопрос: почему, при цепной ядерной реакции, деления ядер эффективно вызываются нейтронами, вылетевшими при предыдущих делениях – причём, нейтронами тепловыми, т.е. имеющими энергии, ничтожные по ядерным масштабам. С тем, что тепловые нейтроны обладают способностью разваливать тяжёлые ядра, казалось бы, трудно согласовать наш вывод о том, что «избыточные» - на текущий момент – нейтроны в тяжёлых ядрах являются свободными (4.12 ). Тяжёлое ядро буквально нашпиговано тепловыми нейтронами, но при этом оно отнюдь не распадается – хотя его немедленное деление вызывает попадание в него единственного теплового нейтрона, испущенного при предыдущем делении.

Логично допустить, что временно свободные тепловые нейтроны в тяжёлых ядрах и тепловые нейтроны, испускаемые при делении тяжёлых ядер, всё-таки отличаются друг от друга. Поскольку у тех и у других отсутствуют ядерные прерывания, то степенью свободы, по которой они могут различаться, должен обладать процесс, обеспечивающий внутреннюю связь в нейтроне – через циклические превращения входящих в его состав пар (4.10 ). И единственная степень свободы, которую мы здесь усматриваем – это возможность ослабления этой внутренней связи «на приросте масс» (4.10 ), из-за уменьшения частоты циклических превращений в нейтроне – с излучением соответствующих g-квантов. Приведение нейтронов в подобное ослабленное состояние – например, при распадах тяжёлых ядер, когда происходят экстремальные превращения энергии из одних форм в другие – не представляется нам чем-то необычным. Ослабленное состояние нейтрона обусловлено, по-видимому, нештатным режимом работы программы, которая формирует нейтрон в физическом мире – и при этом нейтрону легче распасться на протон и электрон. Похоже, что среднее время жизни в 17 мин, измеренное для нейтронов, вылетающих из ядерных реакторов, характерно как раз для ослабленных нейтронов. Неослабленный же нейтрон способен жить, на наш взгляд, пока работает связующий его алгоритм (4.10 ), т.е., неопределённо долго.

Каким же образом ослабленный нейтрон разваливает тяжёлое ядро? По сравнению с неослабленными нейтронами, у ослабленных нейтронов период прерываний нуклонных пульсаций увеличен. Если у такого нейтрона, попавшего в ядро, будут «включены» ядерные прерывания, так что он окажется связан с каким-либо протоном, то вышеописанный синхронизм переключения связей в тройке n 0 -p + -n 0 (4.12 ) окажется невозможен. В результате нарушится синхронизм связей в соответствующем a-комплексе, что вызовет последовательность сбоев переключений связей, оптимально переформировывающих a-комплексы и обеспечивающих динамическую структуру ядра (4.12 ). Образно говоря, через ядро пройдёт трещина, порождаемая не силовым разрывом ядерных связей, а нарушениями синхронизма их переключений. Заметим, что ключевым моментом для описанного сценария является «включение» у ослабленного нейтрона ядерной связи – а для того, чтобы это «включение» произошло, нейтрон должен иметь достаточно малую кинетическую энергию. Так мы объясняем, почему нейтроны с кинетической энергией в несколько сотен кэВ только возбуждают тяжёлое ядро, а тепловые нейтроны с энергиями всего в несколько сотых эВ способны эффективно его развалить.

Что же мы видим? При делении ядра на два осколка, «аварийно» рассыпаются те ядерные связи, которые, в штатном режиме своих переключений (4.12 ), сцепляли эти два осколка в исходном ядре. Возникает нештатная ситуация, при которой собственные энергии некоторых нуклонов уменьшены на величину энергии ядерных связей, но самих этих связей уже нет. Эта нештатная, по логике принципа автономных превращений энергии (4.4 ), ситуация немедленно исправляется следующим образом: собственные энергии нуклонов остаются как есть, а бывшие энергии распавшихся связей превращаются в кинетическую энергию нуклонов – и, в конечном счёте, в кинетическую энергию осколков. Таким образом, энергия деления тяжёлого ядра обусловлена не разностью дефектов масс у исходного ядра и осколков, и не энергией кулоновского отталкивания осколков. Кинетическая энергия осколков – это бывшая энергия ядерных связей, удерживавших эти осколки в исходном ядре. В пользу этого вывода свидетельствует поразительный и малоизвестный факт постоянства кинетической энергии осколков – в независимости от силы воздействия, инициирующего деление ядра. Так, при инициировании деления ядер урана протонами с энергией 450 МэВ, кинетическая энергия осколков составляла 163±8 МэВ, т.е. столько же, сколько и при инициировании деления тепловыми нейтронами, с энергиями в сотые доли эВ!

Сделаем, на основе предложенной модели, ориентировочную оценку энергии деления ядра урана по наиболее вероятному варианту, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , при котором осколки включают в себя 18 и 28 a-комплексов. Если считать, что эти 18 и 28 a-комплексов были сцеплены в исходном ядре с помощью 8-10 переключаемых связей, со средней энергией 20 МэВ каждая (см. Рис.4.13 ), то энергия осколков должна составить 160-200 МэВ, т.е. величину, близкую к фактической.

Возможно, будет полезно почитать: