Чому при розподілі ядер виділяється енергія. Енергія поділу

Поділ ядер урану було відкрито 1938 р. німецькими вченими О. Ганом та Ф. Штрассманом. Їм вдалося встановити, що при бомбардуванні ядер урану нейтронами утворюються елементи середньої частини періодичної системи: барій, криптон та ін. Правильне тлумачення цього факту дали австрійський фізик Л. Мейтнер та англійський фізикО. Фріш. Вони пояснили появу цих елементів розпадом ядер урану, що захопив нейтрон, на приблизно дві рівні частини. Це явище отримало назву поділу ядер, а ядра, що утворюються, - уламків поділу.

також

Васильєв А. Розподіл урану: від Клапроту до Гана // Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30.

Крапельна модель ядра

Пояснити цю реакцію поділу можна ґрунтуючись на краплинній моделі ядра. У цій моделі ядро розглядається як крапля зарядженої несжимаемой рідини. Крім ядерних сил, що діють між усіма нуклонами ядра, протони зазнають додаткового електростатичного відштовхування, внаслідок якого вони розташовуються на периферії ядра. У незбудженому стані сили електростатичного відштовхування компенсовані, тому ядро має сферичну форму (рис. 1, а).

Після захоплення ядром \(~^(235)_(92)U\) нейтрону утворюється проміжне ядро \(~(^(236)_(92)U)^*\), яке знаходиться у збудженому стані. При цьому енергія нейтрону рівномірно розподіляється між усіма нуклонами, а проміжне ядро деформується і починає коливатися. Якщо збудження невелике, то ядро (рис. 1, б), звільняючись від надлишку енергії шляхом випромінювання γ -Кванту або нейтрону, повертається у стійкий стан. Якщо ж енергія збудження досить велика, то деформація ядра при коливаннях може бути настільки великою, що в ньому утворюється перетяжка (рис. 1, в), аналогічна перетяжці між двома частинами краплі рідини, що роздвоюється. Ядерні сили, що діють у вузькій перетяжці, вже не можуть протистояти значній кулонівській силі відштовхування частин ядра. Перетяжка розривається, і ядро розпадається на два "уламки" (рис. 1, г), які розлітаються на протилежні сторони.

uran.swf Flash: Розподіл урану Збільшити Flash Мал. 2.

В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при розподілі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:

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

Зверніть увагу, що в результаті розподілу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції розподілу інших ядер. Продуктами поділу ядер урану-235 можуть бути й інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідії і т.д.

При розподілі ядер важких атомів ((^(235)_(92)U)) виділяється дуже велика енергія - близько 200 МеВ при розподілі кожного ядра. Близько 80% цієї енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії уламків; решта 20 % припадає на енергію радіоактивного випромінювання уламків та кінетичну енергію миттєвих нейтронів.

Оцінку ядра енергії, що виділяє при розподілі, можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів у ядрах із масовим числом A≈ 240 порядку 7,6 МеВ/нуклон, тоді як у ядрах з масовими числами A= 90 – 145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ/нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія близько 0,9 МеВ/нуклон або 210 МеВ на один атом урану. При повному поділі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

також

Варламов А.А. Крапельна модель ядра // квант. – 1986. – № 5. – С. 23-24

Ланцюгова реакція

Ланцюгова реакція- Ядерна реакція, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції.

При розподілі ядра урану-235, яке викликане зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрони. За сприятливих умов ці нейтрони можуть потрапити до інших ядрів урану і викликати їх поділ. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану тощо. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакції розподілу ядер урану представлена на рис. 3.

reakce.swf Flash: ланцюгова реакція Збільшити Flash Мал. 4.

Уран зустрічається в природі у вигляді двох ізотопів [[~^(238)_(92)U\] (99,3%) і \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). При бомбардуванні нейтронами ядра обох ізотопів можуть розщеплюватися на два уламки. При цьому реакція розподілу \(~^(235)_(92)U\) найбільш інтенсивно йде на повільних (теплових) нейтронах, тоді як ядра \(~^(238)_(92)U\) вступають у реакцію розподілу лише з швидкими нейтронами з енергією порядку 1 МеВ. Інакше енергія збудження ядер, що утворилися \(~^(239)_(92)U\) виявляється недостатньою для поділу, і тоді замість поділу відбуваються ядерні реакції:

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

Ізотоп урану \(~^(238)_(92)U\) β -Радіоактивний, період напіврозпаду 23 хв. Ізотоп нептунія \(~^(239)_(93)Np\) теж радіоактивний, період напіврозпаду близько 2 днів.

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

Ізотоп плутонію \(~^(239)_(94)Np\) щодо стабільний, період напіврозпаду 24000 років. Найважливіша властивість плутонію полягає в тому, що він ділиться під впливом нейтронів так само, як (~^(235)_(92)U\). Тому за допомогою \(~^(239)_(94)Np\) може бути здійснена ланцюгова реакція.

Розглянута вище схема ланцюгової реакції є ідеальним випадком. У реальних умовах не всі нейтрони, що утворюються при розподілі, беруть участь у розподілі інших ядер. Частина їх захоплюється ядрами сторонніх атомів, що не діляться, інші вилітають з урану назовні (витік нейтронів).

Тому ланцюгова реакція поділу важких ядер виникає не завжди і не за будь-якої маси урану.

Коефіцієнт розмноження нейтронів

Розвиток ланцюгової реакції характеризується так званим коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який вимірюється відношенням числа N i нейтронів, що викликають розподіл ядер речовини на одному з етапів реакції, до числа N i-1 нейтронів, що викликали поділ на попередньому етапі реакції:

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

Коефіцієнт розмноження залежить від ряду факторів, зокрема від природи і кількості речовини, що ділиться, від геометричної форми займаного ним обсягу. Одна і та ж кількість даної речовини має різне значення До. Домаксимально, якщо речовина має кулясту форму, оскільки в цьому випадку втрата миттєвих нейтронів через поверхню буде найменшою.

Маса речовини, що ділиться, в якому ланцюгова реакція йде з коефіцієнтом розмноження До= 1 називається критичної масою. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітають назовні.

Значення критичної маси визначається геометрією фізичної системи, її структурою та зовнішнім оточенням. Так, для кулі з чистого урану \(~^(235)_(92)U\) критична маса дорівнює 47 кг (куля діаметром 17 см). Критичну масу урану можна в багато разів зменшити, якщо використовувати так звані уповільнювачі нейтронів. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 у сотні разів більша, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода D 2 O. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється на важку воду.

Хорошим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружній взаємодії з ядрами дейтерію чи вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.

Застосування сповільнювачів нейтронів та спеціальної оболонки з берилію, що відбиває нейтрони, дозволяє знизити критичну масу до 250 г.

При коефіцієнті розмноження До= 1 число ядер, що діляться, підтримується на постійному рівні. Такий режим забезпечується у ядерних реакторах.

Якщо маса ядерного палива менша від критичної маси, то коефіцієнт розмноження До < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Якщо ж маса ядерного палива більша за критичну, то коефіцієнт розмноження До> 1 та кожне нове покоління нейтронів викликає все більша кількістьподілів. Ланцюгова реакція лавиноподібно наростає і має характер вибуху, що супроводжується величезним виділенням енергії та підвищенням температури навколишнього середовищадо кількох мільйонів градусів. Ланцюгова реакція такого роду відбувається під час вибуху атомної бомби.

Ядерна бомба

У звичайному стані ядерна бомба не вибухає тому, що ядерний заряд у ній поділений на кілька невеликих частин перегородками, що поглинають продукти розпаду урану – нейтрони. Ланцюгова ядерна реакція, що є причиною ядерного вибуху, не може підтримуватись у таких умовах. Однак, якщо фрагменти ядерного заряду з'єднати разом, їх сумарна маса стане достатньою для того, щоб почала розвиватися ланцюгова реакція поділу урану. Внаслідок цього відбувається ядерний вибух. При цьому потужність вибуху, що розвивається ядерною бомбою порівняно невеликих розмірів, еквівалентна потужності, що виділяється під час вибуху мільйонів і мільярдів тонн тротилу.

Мал. 5. Атомна бомба

1.8. Поділ ядер

1.8.1. Реакції поділу важких ядер. Механізм поділу ядра та енергія активації. Склад продуктів розподілу ядра та енергія розподілу. Елементарна теорія поділу

Поділ ядер- Ядерна реакція, при якій утворюється два (рідше три) ядра-уламка. Процес супроводжується вильотом вторинних нейтронів, квантів та виділенням значної кількості енергії.

Історична довідка. У 1938 р. у Ганн та Ф. Штрасман точним радіохімічним аналізом показали, що при опроміненні урану нейтронами у ньому утворюється елемент барій, що знаходиться в середині таблиці Менделєєва. Реакція мала вигляд

, (Q ≈ 200 МеB). (1.82)

Існує понад 30 вихідних каналів поділу урану-235. Ф. Жоліо-Кюрі зі співробітниками у Франції та Е. Фермі зі співробітниками в Італії виявили випромінювання кількох нейтронів у вихідному каналі. О. Фріш і Л. Мейтнер у Німеччині відзначили величезну величину енергії, що виділяється при розподілі. Це послужило висування ідеї про ядерну реакцію поділу, що самопідтримується. У 1940 р. і в Росії відкрили спонтанний поділ ядер. Основою сучасної ядерної енергетики служить розподіл ядер урану, і плутонію під впливом нейтронів. Ядерна епоха почалася з 1938 р.

Розподіл ядер може відбуватися також під дією протонів, γ-квантів, α-часток та ін. n, f) конкурує з іншими процесами: з радіаційним захопленням нейтрону ( n, γ ), тобто випромінюванням γ-кванта і розсіюванням нейтрону на ядрі ( n, n).

Імовірність поділу ядра визначається ставленням перерізу поділу σ fядра до повного перерізу захоплення нейтрона.

Ізотопи діляться нейтронами всіх енергій, починаючи з нуля. У ході перерізів поділу цих ізотопів з'являються резонанси, що відповідають рівням енергії ядра, що ділиться (див. рис. 1.13).

Механізм поділу ядра та енергія активації

Процес розподілу ядра пояснюється як розподіл однорідної зарядженої рідкої краплі під дією кулонівських сил (М, Віллер, 1939). Щоб розділитися, ядро має придбати певну критичну енергію, яка називається енергією активації. Після захоплення нейтрону утворюється складове збуджене ядро. Збуджене ядро починає вагатися. Об'єм ядра не змінюється (ядерна матерія практично стислива), але поверхня ядра збільшується. Поверхнева енергія зростає, отже, сили поверхневого натягу прагнуть повернути ядро у вихідний стан. Кулонівська енергія зменшується по абсолютній величині за рахунок збільшення середньої відстані між протонами. Кулонівські сили прагнуть розірвати ядро. Ядро зі сферичної форми перетворюється на еліпсоїдальну, потім відбувається квадрупольна деформація ядра, утворюється перетяжка, ядро перетворюється на гантель, яка рветься, утворюючи два уламки, і «бризки» – пару нейтронів.

Характеристикою здатності ядра до поділу є відношення кулонівської енергії до поверхневої енергії, взятих із напівемпіричної формули для енергії зв'язку ядра

, (1.83)

де – параметр подільності.

Ядра з параметром ділимості >17 можуть ділитися, з критичним параметром ділимості ()кр = 45 відразу діляться (умова спонтанного розподілу ядер). Щоб ядро могло розділитися, воно має подолати енергетичний бар'єр, який називають бар'єром поділу. Цю енергію у разі вимушеного поділу ядро отримує під час захоплення нейтрона.

Склад продуктів розподілу

Уламки розподілу . Основним типом поділу ядра є поділ на два уламки. Осколки діляться масою асиметрично у співвідношенні два до трьох. Вихід продуктів поділу визначається як відношення числа поділів, що дають уламок з даними Адо повному числуподілів. Оскільки в кожному акті поділу виходить два ядра, повний вихід на один поділ для всіх масових чисел становить 200%. Розподіл мас уламків при розподілі ядра показано на рис. 1.14. На малюнку зображено типова двогорба крива розподілу повного виходу поділу тепловими нейтронами. Імпульси уламків рівні та протилежні за знаком. Швидкості уламків досягають ~107 м/с.

Рис.1.14. Залежність виходів продуктів розподілу урану-235 та плутонію-239 під дією теплових нейтронів від масового числа А.

Нейтрони розподілу . У момент утворення уламки початкового ядра сильно деформовані. Надлишок потенційної енергії деформації перетворюється на енергію порушення осколків. Осколки поділу мають великий заряд і перезбагачені нейтронами як вихідне ядро. Вони переходять у стабільні ядра, викидаючи вторинні нейтрони та γ-кванти. Порушення ядер уламків знімається «випаром» нейтронів.

Миттєвими нейтронами поділу називаються нейтрони, що випускаються збудженими осколками за час, менше 4 10-14 сек. Вони випаровуються з уламків ізотропно.

У лабораторної системи координат(л. с.к.) енергетичний спектр нейтронів розподілу добре описується максвеллівським розподілом

, (1.84)

де Е- Енергія нейтрону в л. с.к..gif" - середня енергія спектру.

Число vвторинних нейтронів на 1 акт поділу тепловими нейтронами становить для урану-235 v= 2,43 плутонію-239 v= 2,89. (наприклад, одночасно на 100 актів поділу утворюється 289 вторинних нейтронів).

Випромінювання γ-квантів . Після «випаровування» нейтронів з уламків у них залишається енергія збудження, яка відноситься миттєвими γ-квантами. Процес випромінювання γ-квантів відбувається за час ~ 10-14 з слідом за випромінюванням нейтронів. Повна ефективна енергія випромінювання на 1 розподіл Еповн = 7,5 МеВ..gif" width="67" height="28 src=">МеВ.

Запізнювальні нейтрони - Нейтрони, що з'являються після поділу вихідних ядер (від 10-2 сек до 102 сек). Кількість нейтронів, що запізнюються.< 1% от полного количества нейтронов деления. Механизм испускания связан с β -розпадом уламків поділу виду , , у яких енергія β -Розпаду більше енергії зв'язку нейтрону. У цьому випадку існує заборона β -переходу в основний стан та мала енергія відділення нейтрона Енергія збудження ядра більше енергії зв'язку нейтрону. Нейтрон вилітає миттєво після утворення збудженого ядра з ядра-уламка внаслідок його β -Розпаду. Однак у часі це відбувається тільки після періоду напіврозпаду ядра-уламка.

Розподіл енергії на 1 акт поділу важкого ядра тепловими нейтронами показано у табл. 1.4.

Енергія продуктів розподілу ядра Таблиця 1.4

	Кінетична енергія легкого уламка Тоск л, МеB
	Кінетична енергія важкого уламка Тоск т МеB
	Кінетична енергія нейтронів розподілу ЕnМеB
	Енергія миттєвих γ-квантів Еγм МеB
	Енергія β -Частинок продуктів поділу ЕβМеB
	Енергія γ-випромінювання продуктів розподілу Еγпр МеB
	Енергія антинейтрино продуктів розподілу ЕvМеB
	Енергія γ-випромінювання внаслідок захоплення нейтрону ЕγnМеB
	Сумарна енергія, що виділяється при розподілі ядра QΣ МеB

Теплова енергія поділу

QT = Тоск л + Тоск т + Еn+ Еγм + Еβ + Еγпр + Еγ = 204 МеB.

Енергія, що носиться антинейтрино, не виділяється у вигляді теплової енергії, тому на 1 акт поділу ядра тепловим нейтроном припадає ~ 200 МеB. При тепловій потужності 1 Вт відбувається 3,1.1010 поділів/сек. У хімічних реакціяхна один атом припадає енергія ~ 1 еB.

Елементарна теорія поділу

Припустимо, що в процесі розподілу зберігається масове число. Ата заряд Z. Це означає, що ми враховуємо лише уламки:

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

ядро ділиться у співвідношенні 2 до 3:

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

Енергія реакції дорівнює енергії осколків Q = T ock

Q = c2 [M – (M1 + M2 ) ],

Q= Есв1+ Есв2– Есв, (1.85)

де Eсв- Повна енергія зв'язку ядра щодо всіх складових його нуклонів

, (1.86)

аналогічно Есв1, Есв2– енергії зв'язку першого та другого уламків.

Підставляючи (1.86) та обидві формули для Есв1, Есв2 в (1.85) і нехтуючи останнім доданком, отримуємо

. (1.87)

Вважаючи згідно (1.15) = 17,23 МеB, отримуємо кінетичну енергію осколків Tock ≈178 МеB що перевищує всього на 10 МеB табличне значення.

1.8.2. Ланцюгові реакції поділу ядер урану. Формула для розмноження ланцюгової реакції. Коефіцієнти розмноження. Формула чотирьох співмножників

Ядерні ланцюгові реакції поділуважких ядер нейтронами – це ядерні реакції, у яких число нейтронів зростає і виникає процес, що самопідтримується, поділу ядер речовини. Хімічні та ядерні розгалужені ланцюгові реакції завжди екзотермічні. Ланцюгова реакція поділу здійсненна практично на трьох ізотопах і можлива тільки тому, що при розподілі ядра первинним нейтроном вилітає більше двох вторинних нейтронів у вихідному каналі.

Коефіцієнт розмноження До- Основна характеристика розвитку ядерної ланцюгової реакції.

де Ni- Число нейтронів, що виникли в i-Покоління, Ni-1 - Число нейтронів, що виникли в ( i-1)-Покоління.

Теорія ланцюгових ядерних реакцій було створено й у 1939 р. за аналогією з теорією хімічних ланцюгових реакцій (1934). Ядерна ланцюгова реакція, що самопідтримується, можлива, коли K>1 – надкритична реакція, K=1 – реакція критична. Якщо K<1 – реакция подкритическая, она затухает.

Формула для розмноження нейтронів у ланцюговій реакції

Якщо на початку реакції є nнейтронів, тоді за одне покоління їхнє число стане

Т. е. gif width = "108" height = "48">,

де τ – середній час життя одного покоління нейтронів

Якщо розділимо змінні та проінтегруємо, то отримаємо

використовуючи формулу , Отримуємо остаточно, що число нейтронів зростає з часом tза експонентом з позитивним показником

повільними нейтронами і з розподілом ядер швидкими нейтронами.

Коефіцієнти розмноження. Формула чотирьох співмножників

Нехай система урану + сповільнювача має нескінченні розміри. Припустимо, що в момент народження покоління нейтронів поглинається nтеплових нейтронів, кожен з яких утворює, (1.91)

де σU – переріз поглинання ураном уповільнених теплових нейтронів,

σ3 – переріз поглинання сповільнювачем уповільнених теплових нейтронів,

ρU-концентрація ядер урану, ρ3 – концентрація ядер сповільнювача.

Таким чином, число теплових нейтронів, захоплених ядерним пальним, становить ( nηεрf). Коефіцієнт розмноження нейтронів у нескінченному середовищі(формула чотирьох співмножників)

. (1.92)

Коефіцієнт розмноження нейтронів у кінцевому середовищі

Кеф=, (1.93)

де – повна ймовірність того, що нейтрон уникне витоку з активної зони.

Щоб у кінцевій системі відбувалася стаціонарна ядерна ланцюгова реакція, достатньо Кеф=1. Цьому відповідає критичний(Найменший для протікання реакції) розмір активної зони. (Для чистого урану це куля радіусом 8,5 см і масою 47 кг). gif.

Вперше керована ядерна ланцюгова реакція була здійснена Е. Фермі в Чикаго в 1942р. Ядерний реактор мав η = 1,35, ε ≈ 1,03, ε pf≈ 0,8, = 1,08, для Доеф необхідно θ0,93, що відповідає розміру 5÷10 м. Ядерний реактор, побудований у Москві 1946 р., мав аналогічні параметри.

Розподіл ядрам-- процес розщеплення атомного ядрана два ядра з близькими масами, які називають осколками поділу. В результаті поділу можуть виникати й інші продукти реакції: легкі ядра (в основному альфа-частинки), нейтрони та гамма-кванти. Поділ буває спонтанним (мимовільним) і вимушеним (в результаті взаємодії з іншими частинками, насамперед, з нейтронами). Поділ важких ядер - екзотермічний процес, В результаті якого вивільняється велика кількість енергії у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції, а також випромінювання. Розподіл ядер служить джерелом енергії в ядерних реакторах та ядерній зброї.

У 1938 році німецькі вчені О. Ганн та Ф. Штрассман виявили, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини періодичної системи – барій та лантан, що заклало основу для практичного використання ядерної енергії.

Розподіл важких ядер відбувається під час захоплення нейтронів. При цьому випускаються нові частинки і звільняється енергія зв'язку ядра, що передається уламкам поділу.

Фізики А. Мейтнер і О. Фріш пояснили це явище тим, що ядро урану, що захопило нейтрон, ділиться на дві частини, що отримали назву уламків. Варіантів поділу налічується понад двісті, наприклад:

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

При цьому на одне ядро ізотопу урану 235 U виділяється 200 МеВ енергії.

Більшу частину цієї енергії отримують ядра-уламки, решта припадає на кінетичну енергію нейтронів поділу та енергію випромінювання.

Для синтезу однойменно заражених протонів необхідно подолання кулонівських сил відштовхування, що можливо при досить високих швидкостях часток, що стикаються. Необхідні умовидля синтезу ядер гелію з протонів є в надрах зірок. На землі термоядерну реакцію синтезу здійснено при експериментальних термоядерних вибухах.

Оскільки у важких ядер співвідношення числа нейтронів і протонів N/Z ?1,6, а у легших ядер - уламків воно близьке до одиниці, уламки в момент свого виникнення виявляються перевантаженими нейтронами, щоб перейти в стабільний стан, вони випускають вториннінейтрони. Випуск вторинних нейтронів є важливою особливістю реакції поділу важких ядер, тому вторинні нейтрони називають ще нейтронами розподілу. При розподілі кожного ядра урану випускаються 2-3 нейтрони розподілу. Вторинні нейтрони можуть викликати нові акти поділу, що уможливлює здійснення ланцюгової реакції поділу- Ядерної реакції, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів k,рівним відношенню числа нейтронів на даному етапі реакції до їх на попередньому етапі. Якщо k< 1, цепная реакция не возникает (или прекращается), при k >1 йде ланцюгова реакція, що розвивається, число поділів лавиноподібно наростає і реакція може стати вибуховою. При k=1 йде самопідтримується реакція, коли він число нейтронів залишається постійним. Саме така ланцюгова реакція здійснюється у ядерних реакторах.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу - від його кількості, а також від розмірів і форми активної зони- Простір, в якому відбувається ланцюгова реакція. Не всі нейтрони, що володіють енергією достатньо для поділу ядра, беруть участь у ланцюговій реакції - частина їх «застряє» в ядрах домішок, що не діляться, завжди присутніх в активній зоні, а частина залишає активну зону, розміри якої кінцеві, раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром (витік нейтронів). Мінімальні розміриактивної зони, за яких можлива ланцюгова реакція, називаються критичними розмірами, а мінімальна маса речовин, що діляться, що знаходяться в системі критичних розмірів, називається критичною масою.Так, у шматку чистого урану 92 235 U кожен нейтрон, захоплений ядром викликає поділ з випромінюванням в середньому 2,5 вторинних нейтронів, але якщо маса такого урану менше 9 кг., то більшість нейтронів вилітають назовні, не викликавши поділу, так що ланцюгова реакція не виникає. Тому речовини, ядра яких здатні ділитися, зберігають у вигляді ізольованих один від одного шматків, менших від критичної маси. Якщо швидко і щільно з'єднати кілька таких шматків, так що їхня сумарна маса перевищить критичну масу, почнеться лавиноподібне розмноження нейтронів, і ланцюгова реакція набуде некерованого вибухового характеру. На цьому ґрунтується пристрій атомної бомби.

Крім реакції розподілу важких ядер, існує ще один спосіб звільнення внутрішньоядерної енергії – реакція синтезу легких ядер. Величина енерговиділення в процесі синтезу настільки велика, що при великій концентрації ядер, що взаємодіють, її може виявитися достатньо для виникнення ланцюгової термоядерної реакції. У цьому процесі швидке теплове рух ядер підтримується з допомогою енергії реакції, а сама реакція - з допомогою теплового руху. Для досягнення необхідної кінетичної енергії температура реагує повинна бути дуже високою (107 - 108 К). При такій температурі речовина перебуває у стані гарячої, повністю іонізованої плазми, що складається з атомних ядер та електронів. Абсолютно нові можливості відкриваються перед людством із здійсненням термоядерної реакції синтезу легких елементів. Можна уявити три способи здійснення цієї реакції:

1) повільна термоядерна реакція, що мимоволі відбувається в надрах Сонця та інших зірок;
2) швидка самопідтримуюча термоядерна реакція некерованого характеру, що відбувається під час вибуху водневої бомби;
3) керована термоядерна реакція.

Некерована термоядерна реакція - це воднева бомба, вибух якої відбувається внаслідок ядерної взаємодії:

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

приводить до синтезу ізотопу гелію He3, що містить в ядрі два протони і один нейтрон, і звичайного гелію Не4, що містить в ядрі два протони і два нейтрони. Тут n – це нейтрон, а р – протон, Д – дейтерій та Т – тритій.

Назад Вперед

Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.

Тип заняття.лекція.

Ціль.

Дидактична. Дати поняття про реакцію поділу атомних ядер, вивчити фізичні основи отримання ядерної енергії при розподілі важких атомних ядер; розглянути керовані ланцюгові реакції, пристрій та принцип дії ядерних реакторів; засвоїти інформацію про застосування радіоактивних ізотопівта біологічній дії радіоактивних випромінювань
Виховна. Виховувати вміння працювати у колективі, почуття відповідальності за загальну справу, виховувати зацікавленість дисципліною, прагнення здобути нові знання самостійно; сприяти формуванню пізнавального інтересу, розвитку технічних навичок у процесі навчання
Методична. Використання комп'ютерних технологій: презентацій, інтерактивних лекцій, віртуальних моделей.

Методи:словесний, наочний; евристичний, розмова; фронтальне опитування

Структура уроку

№1 Організаційна частина уроку

1. Вітання.

2. Перевірка наявності учнів та готовності їх до уроку.

№2. Повідомлення теми, мети та основних завдань уроку.

План лекції

1. Розподіл ядер урану при опроміненні нейтронами.

1.1. Виділення енергії при розподілі ядер урану.

1.2.Ланцюгова реакція та умови її виникнення.

Ядерний реактор. Атомна електростанція.

2.1. Основні елементи ядерного реактора та його види.

2.2. Застосування ядерної енергії.

Біологічна дія радіоактивних випромінювань.

№3. Актуалізація опорних знань учнів:

1.Склад ядра.

2. Радіоактивність.

3. Ядерні реакції.

4. – розпад.

5. розпад.

6. Енергетичний вихід реакції.

7. Дефект мас.

8. Енергія зв'язку ядра.

9. Питома енергія зв'язку ядра.

Аркуш опитування (перевірка знання формул, законів, закономірностей) ( слайд №3).

№4. Мотивація навчальної діяльності учнів

Структурні елементи уроку

1. Розподіл ядер урану при опроміненні нейтронами

Атомні ядра, що містять велику кількість нуклонів, є нестійкими і можуть розпадатися. У 1938 р. німецькі вчені Отто Ганн та Франц Штрассман спостерігали поділ ядра урану U під дією повільних нейтронів. Однак правильне тлумачення цього факту, саме як розподіл ядра урану, що захопив, нейтрон, було дано на початку 1939 англійським фізиком О. Фрішем спільно з австрійським фізиком Л. Мейтнер. Поділом ядраназивається ядерна реакція поділу важкого ядра, що поглинув нейтрон, на приблизно дві рівні частини (уламками поділу).

Можливість поділу важких ядер можна пояснити з допомогою графіка залежності питомої енергії зв'язку від масового числа А(слайд №4).

Графік залежності питомої енергії від масового числа

Питома енергія зв'язку ядер атомів, що займають періодичній системіостанні місця (А 200), приблизно на 1 МеВ менше питомої енергії зв'язку в ядрах елементів, що знаходяться в середині періодичної системи (А 100). Тому процес розподілу важких ядер на ядра елементів середньої частини періодичної системи є "енергетично вигідним". Система після розподілу перетворюється на стан із мінімальною внутрішньої енергією. Адже чим більше енергія зв'язку ядра, тим більша енергія повинна виділятися при утворенні ядра і, отже, тим менше внутрішня енергіяновоствореної системи.

При розподілі ядра енергія зв'язку, що припадає на кожен нуклон, збільшується на 1 МеВ і загальна енергія, що виділяється, повинна бути величезною - близько 200 МеВ на ядро. Не за якоїсь іншої ядерної реакції (не пов'язаної з розподілом) таких великих енергій не виділяється. Порівняємо цю енергію з енергією, що виділяється при згорянні палива. При розподілі 1 кг урану-235 виділиться, енергія, рівна . При згорянні 1 кг вугілля виділиться енергія, що дорівнює 2,9 · 10 6 Дж, тобто. у 28 млн. разів менше. Цей розрахунок добре ілюструє перевагу ядерної енергетики.

Безпосередні вимірювання енергії, що виділяється при розподілі ядра урану U, підтвердили наведені міркування та дали величину 200 МеВ. Причому більшість цієї енергії (168 МеВ) посідає кінетичну енергію осколків.

Використання саме нейтронів для поділу ядер зумовлено їхньою електронейтральністю. Відсутність кулонівського відштовхування протонами ядра дозволяє нейтронам безперешкодно проникати в атомне ядро. Тимчасове захоплення нейтрона порушує тендітну стабільність ядра, зумовлену тонким балансом сил кулонівського відштовхування та ядерного тяжіння. Просторові коливання нуклонів збудженого ядра (позначимо U *), що виникають, є нестійкими. Надлишок нейтронів у центрі ядра означає надлишок протонів на периферії. Їх взаємне відштовхування призводить до штучної радіоактивності ізотопу U *, тобто до його поділу на ядра меншої маси, які називають осколками поділу. Причому найімовірнішим виявляється розподіл на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2:3. Більшість великих уламків мають масове число А в межах 135-145, а дрібні від 90 до 100. В результаті реакції розподілу ядра урану U утворюються два або три нейтрони. Одна з можливих реакційподілу ядра урану протікає за схемою:

Ця реакція протікає із утворенням трьох нейтронів. Можлива реакція з утворенням двох нейтронів:

1. Завдання учням: відновити реакцію .

2. Завдання учням: підпишіть елементи малюнка .

1.1 Виділення енергії при розподілі ядер урану

Енергія, що виділяється при розподілі ядра, має електростатичне, а не ядерне походження. Велика кінетична енергія, яку мають уламки, виникає внаслідок їхнього кулонівського відштовхування. При повному розподілі всіх ядер, що є в 1 г урану, виділяється стільки енергії, скільки виділяється при згорянні 2,5 т нафти.

Процес поділу атомного ядра можна пояснити на основі крапельної моделі ядра.Відповідно до цієї моделі потік нуклонів нагадує крапельку зарядженої рідини. Ядерні сили між нуклонами є короткодіючими подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Поряд із великими силами електростатичного відштовхування між протонами, що прагнуть розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили тяжіння. Ці сили утримують ядро від розпаду.

Ядро урану-235 має форму кулі. Поглинувши зайвий нейтрон, ядро починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми ( слайд №5). Ядро розтягується доти, доки сили електричного відштовхування між половинками витягнутого ядра не починають переважати над силами ядерного тяжіння, що діють у перешийку. Після цього ядро розривається дві частини. Під дією кулонівських сил відштовхування ці уламки розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості світла. ( відеофрагмент №6)

1.2 Ланцюгова реакція та умови її виникнення

Будь-який з нейтронів, що вилітає з ядра в процесі розподілу, може у свою чергу викликати розподіл сусіднього ядра, яке також випромінює нейтрони, здатні викликати подальший розподіл. В результаті кількість ядер, що діляться, дуже швидко збільшується. Виникає ланцюгова реакція. Ланцюговою ядерною реакцієюназивається реакція, в якій нейтрони утворюються як продукти цієї реакції, здатні викликати поділ інших ядер. ( слайд №7).

Суть цієї реакції полягає в тому, що випущені при розподілі одного ядра Nнейтронів можуть викликати поділ Nядер, внаслідок чого буде випущено N 2нових нейтронів, які викличуть поділ N 2ядер, і т. д. Отже, число нейтронів, що народжуються в кожному поколінні, зростає в геометричній прогресії. У цілому нині процес носить лавиноподібний характер, протікає дуже швидко і супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Швидкість ланцюгової реакції розподілу ядер характеризують коефіцієнтом розмноження нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k-відношення числа нейтронів в даному етапі ланцюгової реакції до їх числа в попередньому етапі.

Якщо k 1 то число нейтронів збільшується з часом або залишається постійним і ланцюгова реакція йде.

Якщо k< 1, то число нейтронів зменшується і ланцюгова реакція неможлива.

При k= 1 реакція протікає стаціонарно: число нейтронів зберігається постійним. Коефіцієнт розмноження kможе стати рівним одиниці лише за умови, що розміри реактора і відповідно маса урану перевищують деякі критичні значення.

Критичною масою називають найменшу масу речовини, що ділиться, при якій може протікати ланцюгова реакція.

Ця рівність k= 1 потрібно підтримувати з великою точністю. Вже при k= 1,01 майже миттєво станеться вибух. Число нейтронів, що утворюються при розподілі ядер, залежить від обсягу уранового середовища. Чим більший цей обсяг, тим більше нейтронів виділяється при розподілі ядер. Починаючи з деякого мінімально-критичного обсягу урану, що має певну критичну масу, реакція поділу ядер стає самопідтримується. Дуже важливим фактором, що впливає на перебіг ядерної реакції, є сповільнювач нейтронів. Річ у тім, що ядра урану-235 діляться під впливом повільних нейтронів. А при розподілі ядер утворюються швидкі нейтрони. Якщо швидкі нейтрони сповільнити, то більша частина їх захопиться ядрами урану-235 з наступним розподілом ядер. Як сповільнювачі використовуються такі речовини, як графіт, вода, важка вода та деякі інші.

Для чистого урану U, що має форму кулі, критична маса приблизно дорівнює 50 кг. При цьому радіус кулі дорівнює приблизно 9 см. Застосовуючи сповільнювач нейтронів і нейтрони, що відображає оболонку з берилію, вдалося знизити критичну масу до 250 г.

(відеофрагмент №8)

2. Ядерний реактор

2.1. Основні елементи ядерного реактора

Ядерним реактором називається пристрій, у якому виділяється теплова енергіяв результаті керованої ланцюгової реакції розподілу ядер.

Вперше керована ланцюгова реакція поділу ядер урану було здійснено 1942 року у США під керівництвом італійського фізика Фермі. Ланцюгова реакція з коефіцієнтом розмноження нейтронів k= 1,0006 тривала протягом 28 хвилин, після чого реактор було зупинено.

Основними елементами ядерного реактора є:

Ядерне паливо розташовується в активній зоні у вигляді вертикальних стрижнів, які називають тепловиділяючими елементами (ТВЕЛ). ТВЕЛи призначені для регулювання потужності реактора. Маса кожного паливного стрижня значно менша за критичну, поему в одному стрижні ланцюгова реакція відбуватися не може. Вона починається після занурення в активну зону всіх стрижнів уранових. Активна зона оточена шаром речовини, що відбиває нейтрони (відбивач), та захисною оболонкою з бетону, що затримує нейтрони та інші частинки.

Управління реактором здійснюється за допомогою стрижнів, що містять кадмій або бор. При висунутих з активної зони реактора стрижнях k > 1, а при повністю всунутих - до< 1. Всуваючи стрижні всередину активної зони, можна будь-якої миті часу призупинити розвиток ланцюгової реакції. Управління ядерними реакторами здійснюється дистанційно за допомогою ЕОМ.

Реактор на повільних нейтронах. Найбільш ефективний розподіл ядер U відбувається під дією повільних нейтронів. Такі реактори називають реакторами на повільних нейтронах. Вторинні нейтрони, що утворюються внаслідок реакції розподілу, є швидкими. Для того, щоб їх подальша взаємодія з ядрами U в ланцюговій реакції була найбільш ефективною, їх уповільнюють, вводячи в активну зону сповільнювач - речовина (важка вода, графіт)

Запитання учням: Чому застосовуються саме ці речовини? Тяжка вода - містить велику кількість нейтронів, які стикаються з швидкими нейтронами, що виділяються в результаті поділу, уповільнюють їх відповідно до закону збереження імпульсу.

Реактор на швидкі нейтрони. Природного урану-235 Землі дуже мало, лише 0,715% від усієї маси урану. Основну частину природного урану (99,28%) становить ізотоп урану-238, який непридатний як "ядерне паливо".

У реакторах на теплових (тобто повільних) нейтронах уран використовують лише на 1-2%. Повне використання урану досягається в реакторах на швидких нейтронах, в яких забезпечується відтворення нового ядерного пального у вигляді плутонію.

Перевага реакторів на швидких нейтронах в тому, що при роботі утворюється значна кількість плутонію Pu, найважливіша властивість ізотопу Pu - його здатність ділитися під дією теплових нейтронів, як і ізотоп U, який потім можна використовувати як ядерне паливо. Ці реактори називаються реакторами-розмножувачами, так як вони відтворюють матеріал, що ділиться. Тому дуже важливим завданнямядерної енергетики найближчого майбутнього є перехід від звичайних реакторів до реакторів-розмножувачів (бридерів), які є не тільки джерелами енергії, а й “фабриками плутонію”. Переробляючи уран-238 плутоній, ці реактори різко збільшують запаси “ядерного палива”.

За допомогою ядерних реакцій отримані трансуранові елементи (наступні за ураном), тобто елементи важчі, ніж уран. Ці елементи немає в природі, вони отримані штучним шляхом.

Перший елемент із зарядовим числом, яке більше 92, отримали у 1940 р. американські вчені в Каліфорнійському університеті, коли опромінювали уран нейтронами. Одержання трансуранових елементів розглянемо з прикладу отримання нептунія і плутонію:

Період напіврозпаду нептунія - 2,3 діб, плутонію - 2,44 · 10 4 років, поему його можна накопичувати у великих кількостях, що має велике значення при використанні ядерної енергії. На сьогоднішній день отримані такі трансуранові елементи: америцій (95), берклій (97), каліфорній (98), ейнштейний (99), фермій (100), м (101), нобелій (102), лоуренсій (103), курчатовий ( 104).

2.2. Застосування ядерної енергії

Перетворення внутрішньої енергії атомних ядер на електричну енергію. Ядерний реактор є основним елементом атомної електростанції (АЕС), що перетворює теплову ядерну енергію на електричну. Внаслідок розподілу ядер у реакторі виділяється теплова енергія. Ця енергія перетворюється на енергію пари, що обертає парову турбіну. Парова турбіна у свою чергу обертає ротор генератора, що виробляє електричний струм.

Таким чином, перетворення енергії відбувається за такою схемою:

внутрішня енергія ядер урану кінетична енергія нейтронів і осколків ядер внутрішня енергія води внутрішня енергія пара кінетична енергія пара кінетична енергія ротора турбіни та ротора генератора електрична енергія. відеофрагмент №11).

Завдання учням: підпишіть основні елементи реактора. слайд №12)

Перевірка завдання ( слайд №13)

При кожному акті розподілу виділяється енергія близько 3,2 10 -11 Дж. Тоді потужності 3000 МВт відповідає приблизно 10 18 актів розподілу в секунду. При розподілі ядер стінки ТВЕЛ сильно нагріваються. Відведення тепла з активної зони здійснюється теплоносієм – водою. У потужних реакторах зона нагрівається до 300 °С. Щоб уникнути закипання, вода виводиться з активної зони в теплообмін під тиском порядку 10 7 Па (100 атм). У теплообміннику радіоактивна вода (теплоносій), що циркулює в першому контурі, віддає тепло звичайній воді, що циркулює у другому контурі. Тепло, що передається, перетворює воду в другому контурі на пару. Ця пара з температурою близько 230 °С під тиском 3·10 6 Па прямує на лопатки парової турбіни, а вона обертає ротор генератора електричної енергії. Застосування ядерної енергії перетворення її на електричну вперше було здійснено в1954 року у СРСР м. Обнінську. У 1980 р. на Білоярській АЕС відбувся пуск першого у світі реактора на швидких нейтронах

Успіхи та перспективи розвитку атомної енергетики

Порівняння екологічного впливу від роботи ЕС різних видів.

Екологічний вплив ГЕС ( слайд №14):

затоплення великих площ родючих земель;
підйом рівня грунтових вод;
заболоченість територій та виведення з посівних значних площ землі;
"цвітіння" водойм, що призводить до загибелі риб та інших мешканців водойм.

Екологічний вплив ТЕС ( слайд №15):

виділення великої кількостітеплоти;
забруднення атмосфери газоподібними викидами;
радіоактивне забруднення;
забруднення земної поверхні шлаками та кар'єрами.

Екологічний вплив АЕС( слайд №16):

видобуток та переробка уранових руд;
утилізація радіоактивних відходів;
значне теплове забруднення води, внаслідок її нагрівання.

на слайді №17розміщено таблицю, що показує розподіл електроенергії, яку виробляють різні електростанції.

Неможливо не згадати про події 1986 року ( слайд №18). Наслідки вибуху ( слайд №19-22)

Ядерні реактори встановлюються на атомних підводних човнах і криголамах (К 19).

Ядерна зброя

Некерована ланцюгова реакція з великим коефіцієнтом розмноження нейтронів здійснюється в ядерній бомбі. Для того щоб відбувалося майже миттєве виділення енергії (вибух), реакція повинна йти на швидких нейтронах (без застосування сповільнювачів). Вибухова речовина служить чистий уран U або плутоній Pu.

Під час вибуху бомби температура сягає мільйонів кельвін. За такої температури різко підвищується тиск і утворюється потужна вибухова хвиля. Одночасно виникає сильне випромінювання. Продукти ланцюгової реакції під час вибуху бомби дуже радіоактивні і небезпечні життя.

У 1945 р. США застосували атомні бомбипроти Японії ( відеофрагмент №23-25). Наслідки випробувань атомної зброї ( відеофрагмент №26)

Медицина

1. Біологічна дія радіоактивних випромінювань.

Радіоактивне випромінювання включає гамма- і рентгенівське випромінювання, електрони, протони, частинки, іони важких елементів. Його називають також іонізуючим випромінюванням, оскільки проходячи через живу тканину, воно викликає іонізацію атомів.

Навіть слабкі випромінювання радіоактивних речовин надають дуже сильний впливпопри всі живі організми, порушуючи життєдіяльність клітин. За великої інтенсивності випромінювання живі організми гинуть. Небезпека випромінювання погіршується тим, що вони не викликають жодних болючих відчуттів навіть при смертельних дозах. Інновації в медицині ( слайд №27-29)

Механізм вражає біологічні об'єкти дії ще недостатньо вивчений. Але ясно, що воно зводиться до іонізації атомів та молекул і це призводить до зміни їхньої хімічної активності. Найбільш чутливі до випромінювань ядра клітин, особливо клітин, які швидко діляться. Тому насамперед випромінювання вражають кістковий мозок, через що порушується процес утворення крові. Далі настає ураження клітин травного тракту та інших органів.

Доза випромінювання. Характер впливу іонізуючого випромінювання залежить від дози поглиненого випромінювання та його виду.

Доза поглиненого випромінювання - відношення енергії випромінювання поглиненої опромінюваним тілом, до його маси: .

У СІ дозу поглиненого випромінювання виражають у греях (1 Гр):

1 Гр дорівнює дозі поглиненого випромінювання, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж.

Природний фон радіації (космічні промені, радіоактивність довкілля та людського тіла) становить протягом року дозу випромінювання близько 2·10 -3 Гр на людини. Міжнародна комісія з радіаційного захисту встановила для осіб, які працюють із випромінюванням, гранично допустиму за рік дозу 0,05 грн. Доза випромінювання 3 - 10 Гр, отримана за короткий час, смертельна.

Насправді широко використовується позасистемна одиниця дози випромінювання – рентген (1 Р). 1 Гр відповідає приблизно 100 р.

Еквівалентна доза.

У зв'язку з тим, що при тій же дозі поглинання різні випромінювання викликають різні біологічні ефекти, для оцінки цих ефектів була введена величина, яка називається еквівалентною дозою (Н).

Еквівалентна доза поглиненого випромінювання визначається як добуток дози поглиненого випромінювання на коефіцієнт якості:

Одиниця еквівалентної дози – зіверт (1 Зв).

1Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій доза поглиненого -випромінювання дорівнює 1 Гр .

Величина еквівалентної дози визначає відносно безпечні та дуже небезпечні для живого організму дози опромінення.

Оцінюючи впливів іонізуючих випромінювань на живий організм враховують і те, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші. Наприклад, при однаковій еквівалентній дозі виникнення раку в легенях ймовірніше, ніж у щитовидній залозі.

Іншими словами, кожен орган та тканина має певний коефіцієнт радіаційного ризику (для легень, наприклад, він дорівнює 0,12, а для щитовидної залози – 0,03).

Поглинена та еквівалентна дози залежать від часу опромінення. За інших рівних умов ці дози тим більші, ніж більше часуопромінення.

Харчові продукти, що піддаються радіаційній обробці ( слайд №30).

Напівлетальна поглинена доза* для деяких живих організмів ( слайд №31).

Біологічна дія іонізованого опромінення на людину (з лайд №32).

Рівень радіаційного опромінення населення ( слайд №33).

Захисна дія від іонізованого випромінювання споруд та матеріалів ( слайд №34)

2. Захист організмів від випромінювання.

При роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати заходів щодо радіаційного захисту.

Найпростіший метод захисту – це видалення персоналу від джерела випромінювання на досить велику відстань. Ампули із радіоактивними препаратами не слід брати руками. Треба користуватись спеціальними щипцями з довгою ручкою.

Для захисту від випромінювання використовують перешкоди з матеріалів, що поглинають. Наприклад, захистом від -випромінювання може бути шар алюмінію завтовшки кілька міліметрів. Найбільш складний захист від випромінювання та нейтронів через велику проникаючу здатність. Найкращим поглиначем променів є свинець. Повільні нейтрони добре поглинаються бором та кадмієм. Швидкі нейтрони попередньо уповільнюються за допомогою графіту. відеофрагмент №35).

Питання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Чому нейтрони виявляються найзручнішими частинками для бомбардування атомних ядер?

2. Що відбувається при попаданні нейтрону в ядро урану?

3. Чому при розподілі ядер урану виділяється енергія?

4. Від чого залежить коефіцієнт розмноження нейтронів?

5. У чому полягає керування ядерною реакцією?

6. Для чого потрібно, щоб маса кожного уранового стрижня була меншою за критичну масу?

7. Навіщо потрібні регулюючі стрижні? Як ними користуються?

8. Навіщо в ядерному реакторі використовується уповільнювач нейтронів?

9. У чому причина негативного впливу радіації на живі організми?

10. Які фактори слід враховувати в оцінці впливів іонізуючих випромінювань на живий організм?

№5. Підбиття підсумків уроку

Добре відомо, що енергія поділу важких ядер, яка використовується в практичних цілях – це кінетична енергія осколків вихідних ядер. Але яке походження цієї енергії, тобто. яка енергія перетворюється на кінетичну енергію уламків?

Офіційні погляди це питання відрізняються крайньої непослідовністю. Так, Мухін пише, що велика енергія, що звільняється при розподілі важкого ядра, обумовлена різницею дефектів мас у вихідного ядра та уламків - і отримує, на основі цієї логіки, оцінку виходу енергії при розподілі ядра урану: »200 МеВ. Але далі він пише, що на кінетичну енергію осколків перетворюється енергія їхнього кулонівського відштовхування – яка, коли осколки знаходяться впритул один до одного, становить ті ж »200 МеВ. Близькість обох цих оцінок до експериментального значення, звичайно, вражає, але доречне питання: на кінетичну енергію уламків перетворюється все-таки різниця дефектів мас чи енергія кулонівського відштовхування? Ви вже визначитеся, про що нам розповідаєте – про бузин уабо про дядька у Києві!

Цю тупикову дилему теоретики створили самі: за їхньою логікою, їм неодмінно потрібна і різниця дефектів мас, і кулонівське відштовхування. Відмовся або від того, або від іншого - і стане очевидною нікчемність традиційних вихідних передумов у фізиці ядра. Ось, наприклад, навіщо говорять про різницю дефектів мас? Для того, щоб хоч якось пояснити саму можливість феномена поділу важких ядер. Нас намагаються переконати, що розподіл важких ядер відбувається тому, що він енергетично вигідний. Що за чуда? При розподілі важкого ядра частина ядерних зв'язків руйнується - а енергії ядерних зв'язків обчислюються МеВами! Нуклони в ядрі пов'язані на порядки сильніше атомних електронів. І досвід вчить нас, що система стійка якраз у галузі енергетичної вигідності – а якби їй було енергетично вигідно розпастись, вона розпалася б негайно. Але поклади уранових руд у природі є! Про яку ж «енергетичну вигідність» поділу ядер урану може йтися?

Щоб абсурдність припущення про вигідність поділу важкого ядра не надто впадала у вічі, теоретики пустилися на відволікаючий маневр: вони міркують про цю «вигідність» у термінах середньої енергії зв'язку, що припадає на один нуклон. Справді, зі збільшенням атомного номера, збільшується і величина дефекту мас у ядра, але кількість нуклонів у ядрі збільшується швидше – рахунок надлишкових нейтронів. Тому у важких ядер повна енергія зв'язку, перерахована однією нуклон, зменшується зі збільшенням атомного номера. Здавалося б, важким ядрам ділитися справді вигідно? На жаль, ця логіка ґрунтується на традиційних уявленнях про те, що ядерними зв'язками охоплено всенуклони у ядрі. При такому припущенні середня енергія зв'язку на нуклон E 1 є окреме від поділу енергії зв'язку ядра D Eна число нуклонів:

E 1 =D E/A, D E=(Zm p + ( A-Z)m n)c 2 -(Mат - Zm e)c 2 , (4.13.1)

де Z- Атомний номер, тобто. кількість протонів, A- Число нуклонів, m p , m nі m e- маси, відповідно, протона, нейтрону та електрона, Mат – маса атома. Однак, неадекватність традиційних уявлень про ядро ми вже проілюстрували вище ( 4.11 ). І якщо, за логікою запропонованої моделі ( 4.12 ), при розрахунку енергії зв'язку на нуклон не враховувати ті нуклони в ядрі, які тимчасово не охоплені ядерними зв'язками, ми отримаємо формулу, відмінну від (4.13.1). Якщо вважати, що поточна кількість пов'язаних нуклонів становить 2 Z (4.12 ), і що кожен із них пов'язаний лише половину часу дії зв'язку ( 4.12 ), то для середньої енергії зв'язку на нуклон ми отримаємо формулу

E 1 * =D E/Z , (4.13.2)

яка відрізняється від (4.13.1) лише знаменником. Згладжені функції E 1 (Z) та E 1 * (Z) наведені на Рис.4.13. На відміну від звичного графіка E 1 (Z), поміщеного в багато підручників, графік E 1 * (Z) має вражаючу особливість: він демонструє, для важких ядер, незалежністьенергії зв'язку на нуклон від числа нуклонів Значить, з нашої моделі ( 4.12 ) Випливає, що ні про яку «енергетичну вигідність» поділу важких ядер не може бути й мови – у згоді зі здоровим глуздом. Тобто, кінетична енергія уламків не може бути обумовлена різницею дефектів мас вихідного ядра та уламків.

Рис.4.13

Відповідно до того ж здорового глузду, на кінетичну енергію уламків не може перетворюватися енергія їхнього кулонівського відштовхування: ми привели як теоретичні аргументи ( 4.7 , 4.12 ), і експериментальні свідоцтва ( 4.12 ) про те, що ніякого кулонівського відштовхування у частинок, що входять до складу ядра, немає.

Тоді яке ж походження кінетичної енергії уламків важкого ядра? Насамперед постараємося відповісти на запитання: чому, при ланцюговій ядерній реакції, розподіл ядер ефективно викликаються нейтронами, що вилетіли при попередніх поділах - причому, нейтронами тепловими, тобто. мають енергії, нікчемні за ядерними масштабами. З тим, що теплові нейтрони мають здатність розвалювати важкі ядра, здавалося б, важко узгодити наш висновок про те, що «надлишкові» - на даний момент - нейтрони у важких ядрах є вільними ( 4.12 ). Тяжке ядро буквально нашпиговане тепловими нейтронами, але при цьому воно аж ніяк не розпадається - хоча його негайний поділ викликає попадання в нього єдиного теплового нейтрона, випущеного при попередньому розподілі.

Логічно припустити, що тимчасово вільні теплові нейтрони у важких ядрах і теплові нейтрони, що випускаються при розподілі важких ядер, все-таки відрізняються один від одного. Оскільки в тих і в інших відсутні ядерні переривання, то ступінь свободи, за якою вони можуть відрізнятися, повинен мати процес, що забезпечує внутрішній зв'язок у нейтроні – через циклічні перетворення пар ( 4.10 ). І єдиний ступінь свободи, який ми тут вбачаємо – це можливість ослабленняцього внутрішнього зв'язку «на прирості мас» ( 4.10 ), через зменшення частоти циклічних перетворень у нейтроні – з випромінюванням відповідних g-квантів. Приведення нейтронів у такий ослаблений стан – наприклад, при розпадах важких ядер, коли відбуваються екстремальні перетворення енергії з одних форм на інші – не видається нам чимось незвичайним. Ослаблений стан нейтрону обумовлено, мабуть, позаштатним режимом роботи програми, яка формує нейтрон у фізичному світі– і при цьому нейтрону легше розпастися на протон та електрон. Схоже, що середній час життя в 17 хв, виміряний для нейтронів, що вилітають з ядерних реакторів, характерний саме для ослаблених нейтронів. Неослаблений же нейтрон здатний жити, з погляду, поки працює сполучний його алгоритм ( 4.10 ), Тобто, невизначено довго.

Яким чином ослаблений нейтрон розвалює важке ядро? Порівняно з неослабленими нейтронами, у ослаблених нейтронів період переривань нуклонних пульсацій збільшено. Якщо у такого нейтрона, що потрапив у ядро, будуть «включені» ядерні переривання, тож він виявиться пов'язаний з якимось протоном, то вищеописаний синхронізм перемикання зв'язків у трійці n 0 -p + -n 0 (4.12 ) Виявиться неможливий. В результаті порушиться синхронізм зв'язків у відповідному a-комплексі, що викличе послідовність збоїв перемикань зв'язків, що оптимально переформовують a-комплекси і забезпечують динамічну структуру ядра ( 4.12 ). Образно кажучи, через ядро пройде тріщина, що породжується силовим розривом ядерних зв'язків, а порушеннями синхронізму їх перемикань. Зауважимо, що ключовим моментомдля описаного сценарію є "включення" у ослабленого нейтрона ядерного зв'язку - а для того, щоб це "включення" сталося, нейтрон повинен мати досить малу кінетичну енергію. Так ми пояснюємо, чому нейтрони з кінетичною енергією в кілька сотень кеВ тільки збуджують важке ядро, а теплові нейтрони з енергіями всього кілька сотих еВ здатні ефективно його розвалити.

Що ми бачимо? При розподілі ядра на два уламки, «аварійно» розсипаються ті ядерні зв'язки, які, в штатному режимі своїх перемикань ( 4.12 ), зчіпляли ці два уламки у вихідному ядрі. Виникає позаштатна ситуація, коли власні енергії деяких нуклонів зменшено на величину енергії ядерних зв'язків, але самих цих зв'язків вже немає. Ця позаштатна, за логікою принципу автономних перетворень енергії ( 4.4 ), ситуація негайно виправляється наступним чином: власні енергії нуклонів залишаються як є, а колишні енергії зв'язків, що розпалися, перетворюються на кінетичну енергію нуклонів – і, в кінцевому рахунку, на кінетичну енергію осколків. Таким чином, енергія поділу важкого ядра обумовлена не різницею дефектів мас у вихідного ядра та уламків, і не енергією кулонівського відштовхування уламків. Кінетична енергія уламків – це колишня енергіяядерних зв'язків, які утримували ці уламки у вихідному ядрі. На користь цього висновку свідчить разючий і маловідомий фактсталості кінетичної енергії уламків - незалежно від сили впливу, що ініціює поділ ядра. Так, при ініціювання поділу ядер урану протонами з енергією 450 МеВ, кінетична енергія уламків становила 163±8 МеВ, тобто. стільки ж, скільки і при ініціювання поділу тепловими нейтронами, з енергіями в соті частки еВ!

Зробимо, на основі запропонованої моделі, орієнтовну оцінку енергії поділу ядра урану за найбільш ймовірним варіантом, 92 U 235 ® 36 Kr 94 + 56 Ba 139 , при якому уламки включають 18 і 28 a-комплексів. Якщо вважати, що ці 18 і 28 а-комплексів були зчеплені у вихідному ядрі за допомогою 8-10 переключаються, з середньою енергією 20 МеВ кожна (див. Рис.4.13), то енергія уламків має становити 160-200 МеВ, тобто. величину, близьку до фактичної.

Можливо, буде корисно почитати: