תגובות ביקוע גרעיני ותגובות שרשרת ביקוע. תקציר השיעור "ביקוע גרעיני אורניום. תגובת שרשרת"

תגובות גרעיניות.האינטראקציה של חלקיק עם גרעין אטום, המובילה להפיכת גרעין זה לגרעין חדש עם שחרור של חלקיקים משניים או קרני גמא, נקראת תגובה גרעינית.

התגובה הגרעינית הראשונה בוצעה על ידי רתרפורד בשנת 1919. הוא גילה שחלקיקי אלפא מתנגשים עם גרעיני אטומי חנקן מייצרים פרוטונים הנעים במהירות. משמעות הדבר היא שגרעין איזוטופ החנקן, כתוצאה מהתנגשות עם חלקיק אלפא, הפך לגרעין איזוטופ החמצן:

תגובות גרעיניות יכולות להתרחש עם שחרור או ספיגה של אנרגיה. באמצעות חוק הקשר בין מסה לאנרגיה, ניתן לקבוע את תפוקת האנרגיה של תגובה גרעינית על ידי מציאת ההבדל במסה של החלקיקים הנכנסים לתגובה ובתוצרי התגובה:

תגובת שרשרת של ביקוע של גרעיני אורניום.בין תגובות גרעיניות שונות, יש חשיבות מיוחדת לתגובות שרשרת של ביקוע של כמה גרעינים כבדים בחיי החברה האנושית המודרנית.

תגובת הביקוע של גרעיני אורניום כשהם מופצצים בניוטרונים התגלתה בשנת 1939. כתוצאה ממחקרים ניסיוניים ותיאורטיים שבוצעו על ידי E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, נמצא שכאשר נויטרון אחד פוגע בגרעין אורניום, הגרעין מחולק לשניים או שלושה חלקים.

ביקוע של גרעין אורניום אחד משחרר כ-200 MeV של אנרגיה. האנרגיה הקינטית של תנועת גרעינים של קטע מהווה כ-165 MeV, שאר האנרגיה נסחפת על ידי קוונטות גמא.

לדעת את האנרגיה המשתחררת במהלך הביקוע של גרעין אורניום אחד, ניתן לחשב שתפוקת האנרגיה מביקוע כל הגרעינים של 1 ק"ג אורניום היא 80 אלף מיליארד ג'אול. זה פי כמה מיליוני יותר ממה שמשתחרר בשריפת 1 ק"ג פחם או שמן. לכן, נערך חיפוש אחר דרכים לשחרור אנרגיה גרעינית בכמויות משמעותיות למטרות מעשיות.

F. Joliot-Curie היה הראשון שהציע את האפשרות של תגובות גרעיניות שרשרת בשנת 1934. בשנת 1939, הוא, יחד עם ה. הלבן ול' קווארסקי, גילה בניסוי כי במהלך ביקוע גרעין אורניום, בנוסף לשברים גרעיניים , 2 -3 נויטרונים חופשיים. בתנאים נוחים, נויטרונים אלה יכולים לפגוע בגרעיני אורניום אחרים ולגרום להם להתבקע. כשבקעו שלושה גרעיני אורניום, יש לשחרר 6-9 נויטרונים חדשים, הם ייפלו לתוך גרעיני אורניום חדשים וכו'. תרשים של התפתחות תגובת שרשרת של ביקוע של גרעיני אורניום מוצג באיור 316.

אוֹרֶז. 316

היישום המעשי של תגובות שרשרת אינו משימה פשוטה כפי שהיא נראית בתרשים. ניוטרונים המשתחררים במהלך ביקוע גרעיני אורניום מסוגלים לגרום לביקוע רק של גרעינים של איזוטופ האורניום עם מספר מסה של 235, אך האנרגיה שלהם אינה מספיקה להשמדת גרעינים של איזוטופ אורניום עם מספר מסה של 238. באורניום טבעי, חלקו של אורניום בעל מסה 238 הוא 99.8%, וחלקו של אורניום בעל מסה מספר 235 הוא 0.7% בלבד. לכן, הדרך האפשרית הראשונה לבצע תגובת שרשרת ביקוע קשורה בהפרדה של איזוטופים של אורניום ולייצור האיזוטופ בצורתו הטהורה בכמויות גדולות מספיק. תנאי הכרחי להתרחשות תגובת שרשרת הוא נוכחות של כמות גדולה מספיק של אורניום, שכן בדגימה קטנה רוב הנייטרונים עפים דרך המדגם מבלי לפגוע בגרעין כלשהו. המסה המינימלית של אורניום שבה יכולה להתרחש תגובת שרשרת נקראת המסה הקריטית. המסה הקריטית לאורניום-235 היא כמה עשרות קילוגרמים.

הדרך הפשוטה ביותר לבצע תגובת שרשרת באורניום-235 היא הבאה: נוצרות שתי חתיכות של מתכת אורניום, שלכל אחת מסה קטנה מעט מהקריטית. תגובת שרשרת לא יכולה להתרחש בכל אחד מהם בנפרד. כאשר חלקים אלו מתחברים במהירות, מתפתחת תגובת שרשרת ומשתחררת אנרגיה אדירה. הטמפרטורה של האורניום מגיעה למיליוני מעלות, האורניום עצמו וכל חומר אחר בקרבת מקום הופכים לקיטור. הכדור הגזי החם מתרחב במהירות, שורף והורס את כל מה שנקרה בדרכו. כך מתרחש פיצוץ גרעיני.

קשה מאוד להשתמש באנרגיה של פיצוץ גרעיני למטרות שלום, שכן שחרור האנרגיה אינו ניתן לשליטה. תגובות שרשרת מבוקרות של ביקוע של גרעיני אורניום מתבצעות בכורים גרעיניים.

כּוּר אֲטוֹמִי.הכורים הגרעיניים הראשונים היו כורי נויטרונים איטיים (איור 317). לרוב הנייטרונים המשתחררים במהלך ביקוע גרעיני אורניום יש אנרגיה של 1-2 MeV. המהירויות שלהם הן בקירוב 107 m/s, וזו הסיבה שהם נקראים נויטרונים מהירים. באנרגיות כאלה, נויטרונים מקיימים אינטראקציה עם אורניום וגרעיני אורניום באותה יעילות בערך. ומכיוון שיש באורניום טבעי פי 140 יותר גרעיני אורניום מאשר גרעיני אורניום, רוב הנייטרונים הללו נספגים על ידי גרעיני אורניום ולא מתפתחת תגובת שרשרת. ניוטרונים הנעים במהירויות הקרובות למהירות התנועה התרמית (בערך 2·10 3 m/s) נקראים איטיים או תרמיים. נויטרונים איטיים מקיימים אינטראקציה טובה עם גרעיני אורניום-235 ונספגים על ידם בצורה יעילה פי 500 מאשר נויטרונים מהירים. לכן, כאשר אורניום טבעי מוקרן בניוטרונים איטיים, רובם נספגים לא בגרעיני האורניום-238, אלא בגרעיני האורניום-235 וגורמים לבקעתם. כתוצאה מכך, כדי שתגובת שרשרת תתפתח באורניום טבעי, יש להפחית את מהירויות הנייטרונים לתרמיות.

אוֹרֶז. 317

ניוטרונים מאטים כתוצאה מהתנגשויות עם גרעיני אטום של התווך שבו הם נעים. כדי להאט את הנייטרונים בכור, נעשה שימוש בחומר מיוחד הנקרא מנחה. גרעיני האטומים של החומר המנחה חייבים להיות בעלי מסה קטנה יחסית, שכן בעת התנגשות בגרעין קל, נויטרון מאבד יותר אנרגיה מאשר בעת התנגשות בגרעין כבד. המנחים הנפוצים ביותר הם מים רגילים וגרפיט.

החלל בו מתרחשת תגובת השרשרת נקרא ליבת הכור. כדי להפחית את דליפת הנייטרונים, ליבת הכור מוקפת ברפלקטור נויטרונים, הדוחה חלק ניכר מהנייטרונים הבורחים לתוך הליבה. אותו חומר המשמש כמנחה משמש בדרך כלל כמשקף.

האנרגיה המשתחררת במהלך פעולת הכור מוסרת באמצעות נוזל קירור. רק נוזלים וגזים שאין להם יכולת לספוג נויטרונים יכולים לשמש כנוזל קירור. מים רגילים נמצאים בשימוש נרחב בתור פחמן דו חמצני ואפילו נתרן מתכתי נוזלי.

הכור נשלט באמצעות מוטות בקרה (או בקרה) מיוחדים המוכנסים לליבת הכור. מוטות בקרה עשויים מתרכובות בורון או קדמיום, הסופגות נויטרונים תרמיים ביעילות גבוהה מאוד. לפני שהכור מתחיל לפעול, הם מוכנסים לחלוטין לליבה שלו. על ידי קליטת חלק ניכר מהנייטרונים, הם לא מאפשרים להתפתח תגובת שרשרת. כדי להפעיל את הכור, מוטות הבקרה מוסרים בהדרגה מהליבה עד ששחרור האנרגיה מגיע לרמה קבועה מראש. כאשר הכוח עולה מעל לרמה שנקבעה, מכונות אוטומטיות מופעלות, וצוללות את מוטות הבקרה עמוק לתוך הליבה.

אנרגיה גרעינית.אנרגיה גרעינית הועמדה לשירות השלום לראשונה בארצנו. המארגן והמנהיג הראשון של העבודה על מדע וטכנולוגיה אטומית בברית המועצות היה האקדמיאי איגור ואסילביץ' קורצ'טוב (1903-1960).

נכון לעכשיו, הגדול ביותר בברית המועצות ובאירופה, NPP לנינגרד על שמו. V.I. לנין יש הספק של 4000 MW, כלומר. פי 800 מהעוצמה של תחנת הכוח הגרעינית הראשונה.

עלות החשמל המופק בתחנות כוח גרעיניות גדולות נמוכה מעלות החשמל המופק בתחנות כוח תרמיות. לכן, אנרגיה גרעינית מתפתחת בקצב מואץ.

כורים גרעיניים משמשים כתחנות כוח בספינות ימיות. הספינה השלווה הראשונה בעולם עם תחנת כוח גרעינית, שוברת הקרח המונעת על ידי גרעיני לנין, נבנתה בברית המועצות ב-1959.

שוברת הקרח הגרעינית הסובייטית Arktika, שנבנתה ב-1975, הפכה לספינת השטח הראשונה בעולם שהגיעה לקוטב הצפוני.

תגובה תרמו-גרעינית.אנרגיה גרעינית משתחררת לא רק בתגובות גרעיניות של ביקוע של גרעינים כבדים, אלא גם בתגובות של שילוב של גרעיני אטום קלים.

כדי לחבר פרוטונים בעלי מטען דומה, יש צורך להתגבר על כוחות הדחייה של קולומב, דבר אפשרי במהירויות גבוהות מספיק של חלקיקים מתנגשים. התנאים הדרושים לסינתזה של גרעיני הליום מפרוטונים קיימים בפנים הכוכבים. על פני כדור הארץ בוצעה תגובת היתוך תרמו-גרעיני במהלך פיצוצים תרמו-גרעיניים ניסיוניים.

סינתזה של הליום מהאיזוטופ הקל של מימן מתרחשת בטמפרטורה של כ-108 K, ולסינתזה של הליום מהאיזוטופים הכבדים של מימן - דאוטריום וטריטיום - על פי הסכימה.

דורש חימום לכ-5 10 7 K.

כאשר 1 גרם של הליום מסונתז מדוטריום וטריטיום, משתחררת אנרגיה של 4.2·10 11 J אנרגיה זו משתחררת כאשר 10 טון סולר נשרף.

עתודות המימן בכדור הארץ הן כמעט בלתי נדלות, ולכן השימוש באנרגיית היתוך תרמו-גרעינית למטרות שלום היא אחת המשימות החשובות ביותר של המדע והטכנולוגיה המודרנית.

התגובה התרמו-גרעינית המבוקרת של סינתזת הליום מאיזוטופים כבדים של מימן על ידי חימום אמורה להתבצע על ידי העברת זרם חשמלי דרך הפלזמה. שדה מגנטי משמש כדי למנוע מהפלזמה המחוממת ליצור קשר עם קירות החדר. במתקן הניסיוני Tokamak-10 הצליחו הפיזיקאים הסובייטים לחמם את הפלזמה לטמפרטורה של 13 מיליון מעלות. ניתן לחמם מימן לטמפרטורות גבוהות יותר באמצעות קרינת לייזר. לשם כך, יש למקד את קרני האור ממספר לייזרים בכדור זכוכית המכיל תערובת של איזוטופים כבדים של דאוטריום וטריטיום. בניסויים במתקני לייזר כבר התקבלה פלזמה בטמפרטורה של כמה עשרות מיליוני מעלות.

שיעור פיזיקה בכיתה ט'

"ביקוע של גרעיני אורניום. תגובת שרשרת"

מטרת השיעור:להכיר לתלמידים את תהליך הביקוע של גרעיני אטומי אורניום ואת מנגנון תגובת השרשרת.

משימות:

חינוכי:

לחקור את מנגנון הביקוע של גרעיני אורניום-235; להציג את המושג מסה קריטית; לקבוע את הגורמים הקובעים את התרחשות תגובת שרשרת.

חינוכי:

להוביל את התלמידים להבין את המשמעות של תגליות מדעיות והן הסכנה שיכולה לנבוע מהישגים מדעיים עם גישה חסרת מחשבה, אנאלפביתית או לא מוסרית כלפיהם.

מִתפַּתֵחַ:

פיתוח חשיבה לוגית; פיתוח מונולוג ודיבור דיאלוגי; פיתוח פעולות נפשיות אצל תלמידים: ניתוח, השוואה, למידה. היווצרות רעיון של שלמות תמונת העולם

סוג שיעור:שיעור בלימוד ידע חדש.

מיומנויות שהשיעור שואף לפתח:

ערכי-סמנטי - היכולת לראות ולהבין את העולם הסובב אותנו,

תרבות כללית - שליטה של התלמיד בתמונה המדעית של העולם,

חינוכי וקוגניטיבי - היכולת להבחין בין עובדות לספקולציות,

מיומנויות תקשורת - מיומנויות עבודה קבוצתיות, שליטה בתפקידים חברתיים שונים בצוות,

יכולות של שיפור עצמי אישי - תרבות חשיבה והתנהגות

התקדמות השיעור: 1. רגע ארגוני.

שיעור חדש הגיע. אני אחייך אליכם, ואתם תחייכו אחד לשני. ותחשבו: כמה טוב שכולנו כאן ביחד היום. אנחנו צנועים ואדיבים, ידידותיים ומלאי חיבה. כולנו בריאים. - קח נשימה עמוקה ונשוף. נשפו את הטינה, הכעס והחרדה של אתמול. אני מאחל לכולנו שיעור טוב .

2. בדיקת שיעורי בית.

מִבְחָן.

1. איזה מטען יש לגרעין?

1) חיובי 2) שלילי 3) לגרעין אין מטען

2. מהו חלקיק אלפא?

1) אלקטרון 2) גרעין הליום אטום

3) קרינה אלקטרומגנטית

3. כמה פרוטונים וניטרונים מכיל הגרעין של אטום בריליום Be?

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

4. הגרעין של איזה יסוד כימי נוצר במהלך α - ריקבון של רדיום?

Ra → ? +הוא.

1) ראדון 2) אורניום 3) פרמיום

5. המסה של גרעין היא תמיד ... סכום המסות של הגרעין שמהם הוא מורכב.

1) גדול מ-2) שווה ל-3) פחות

6. נויטרון הוא חלקיק

1) בעל מטען +1, מסה אטומית 1;

2) בעל חיוב - 1, מסה אטומית 0;

3) בעל מטען 0, מסה אטומית 1.

7. ציין את התוצר השני של התגובה הגרעינית

תשובות: אפשרות 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. כיצד פרוטונים בגרעין מתקשרים זה עם זה באופן חשמלי?

9. מהו פגם המוני? רשום את הנוסחה.

10. מהי אנרגיית קשירה? רשום את הנוסחה.

לימוד חומר חדש.

לאחרונה למדנו שחלק מהיסודות הכימיים הופכים ליסודות כימיים אחרים במהלך ריקבון רדיואקטיבי. מה לדעתך יקרה אם תשלח חלקיק כלשהו לגרעין של אטום של יסוד כימי כלשהו, למשל, נויטרון לגרעין האורניום?

בשנת 1939 גילו המדענים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן את הביקוע של גרעיני אורניום. הם גילו שכאשר אורניום מופגז בניוטרונים, מופיעים יסודות מהחלק האמצעי של הטבלה המחזורית - איזוטופים רדיואקטיביים של בריום (Z = 56), קריפטון (Z = 36) וכו'.

הבה נבחן ביתר פירוט את תהליך הביקוע של גרעין אורניום במהלך הפצצה עם נויטרון על פי האיור. נויטרון הנכנס לגרעין אורניום נספג בו. הליבה מתרגשת ומתחילה להתעוות כמו טיפת נוזל.

הגרעין מתרגש ומתחיל להתעוות. מדוע הגרעין מתפרק לשני חלקים? באילו כוחות מתרחש הקרע?

אילו כוחות פועלים בתוך הגרעין?

- אלקטרוסטטי וגרעיני.

אוקיי, אבל איך מתבטאים כוחות אלקטרוסטטיים?

- כוחות אלקטרוסטטיים פועלים בין חלקיקים טעונים. החלקיק הטעון בגרעין הוא הפרוטון. מכיוון שהפרוטון טעון חיובי, זה אומר שכוחות הדחייה פועלים ביניהם.

נכון, אבל איך מתבטאים כוחות גרעיניים?

- כוחות גרעיניים הם כוחות המשיכה בין כל הגרעינים.

אז בהשפעת אילו כוחות הגרעין נקרע?

– (אם מתעוררים קשיים, אני שואל שאלות מנחות ומוביל את התלמידים למסקנה הנכונה)בהשפעת כוחות דחייה אלקטרוסטטיים, הגרעין מתפרק לשני חלקים, שמתרחקים לכיוונים שונים ופולטים 2-3 נויטרונים.

הוא נמתח עד שכוחות הדחייה החשמליים מתחילים לגבור על הגרעיניים. הגרעין מתפרק לשני שברים, ומשחרר שניים או שלושה נויטרונים. זוהי טכנולוגיית הביקוע של גרעין אורניום.

השברים עפים משם במהירות גבוהה מאוד. מסתבר שחלק מהאנרגיה הפנימית של הגרעין מומרת לאנרגיה קינטית של שברים וחלקיקים מעופפים. השברים מגיעים בסופו של דבר לסביבה. מה אתה חושב שקורה להם?

– השברים מואטים בסביבה.

כדי לא להפר את חוק שימור האנרגיה, עלינו לומר מה יקרה לאנרגיה הקינטית?

– האנרגיה הקינטית של השברים מומרת לאנרגיה פנימית של הסביבה.

האם אתה יכול לשים לב שהאנרגיה הפנימית של המדיום השתנתה?

– כן, הסביבה מתחממת.

האם השינוי באנרגיה הפנימית יושפע מהעובדה שמספרים שונים של גרעיני אורניום ישתתפו בביקוע?

– כמובן, עם ביקוע בו-זמני של מספר רב של גרעיני אורניום, האנרגיה הפנימית של הסביבה המקיפה את האורניום עולה.

מהקורס שלך בכימיה, אתה יודע שתגובות יכולות להתרחש גם עם ספיגת האנרגיה וגם עם השחרור. מה אנחנו יכולים לומר על מהלך תגובת הביקוע של גרעיני אורניום?

– תגובת הביקוע של גרעיני אורניום משחררת אנרגיה לסביבה.

(שקופית 13)

אורניום מופיע בטבע בצורה של שני איזוטופים: U (99.3%) ו-U (0.7%). במקרה זה, תגובת הביקוע של U מתרחשת בצורה האינטנסיבית ביותר עם נויטרונים איטיים, בעוד שגרעיני U פשוט סופגים נויטרון, והביקוע אינו מתרחש. לכן, העניין העיקרי הוא בתגובת הביקוע של גרעין ה-U. כיום ידועים כ-100 איזוטופים שונים עם מספרי מסה מ-90 עד 145 לערך, המתעוררים במהלך הביקוע של גרעין זה. שתי תגובות ביקוע אופייניות של גרעין זה הן:

נציין כי האנרגיה המשתחררת במהלך ביקוע גרעיני אורניום היא עצומה. לדוגמה, ביקוע מוחלט של כל הגרעינים הכלולים ב-1 ק"ג של אורניום משחרר את אותה אנרגיה כמו בעירה של 3000 טון פחם. יתר על כן, אנרגיה זו יכולה להשתחרר באופן מיידי.

(שקופית 14)

גילינו מה יקרה לשברים, איך יתנהגו נויטרונים?

כאשר ביקוע גרעין אורניום-235, הנגרם מהתנגשות עם נויטרון, משתחררים 2 או 3 נויטרונים. בתנאים נוחים, נויטרונים אלה יכולים לפגוע בגרעיני אורניום אחרים ולגרום להם להתבקע. בשלב זה יופיעו בין 4 ל-9 נויטרונים המסוגלים לגרום להתפרקות חדשה של גרעיני אורניום וכו'. תהליך דמוי מפולת זה נקרא תגובת שרשרת. (כתוב במחברת: תגובת שרשרת גרעינית- רצף של תגובות גרעיניות, שכל אחת מהן נגרמת על ידי חלקיק שהופיע כתוצר תגובה בשלב הקודם של הרצף). נשקול את דיאגרמת הפיתוח של תגובת השרשרת של ביקוע של גרעיני אורניום בפירוט רב יותר באמצעות שבר וידאו בהילוך איטי לצורך שיקול מפורט יותר

אנו רואים שהמספר הכולל של נויטרונים חופשיים בחתיכת אורניום גדל כמו מפולת שלגים עם הזמן. למה זה יכול להוביל?

- אל הפיצוץ.

מַדוּעַ?

– מספר הבקעים הגרעיניים עולה ובהתאם לכך האנרגיה המשתחררת ליחידת זמן.

אבל אפשרית גם אפשרות אחרת, שבה מספר הנייטרונים החופשיים יורד עם הזמן, והנייטרון לא פוגש את הגרעין בדרכו. במקרה הזה מה יקרה לתגובת השרשרת?

- זה ייפסק.

האם אפשר להשתמש באנרגיה של תגובות כאלה למטרות שלום?

איך התגובה צריכה להתנהל?

– התגובה חייבת להתנהל בצורה כזו שמספר הנייטרונים יישאר קבוע לאורך זמן.

כיצד נוכל להבטיח שמספר הנייטרונים יישאר קבוע כל הזמן?

– (הצעות של בחורים)

כדי לפתור בעיה זו, אתה צריך לדעת אילו גורמים משפיעים על העלייה והירידה במספר הכולל של נויטרונים חופשיים בחתיכת אורניום שבה מתרחשת תגובת שרשרת.

(שקופית 15)

אחד הגורמים הללו הוא מסה של אורניום . העובדה היא שלא כל נויטרון הנפלט במהלך ביקוע גרעיני גורם לביקוע של גרעינים אחרים. אם המסה (ובהתאם, הממדים) של פיסת אורניום קטנה מדי, אזי ניוטרונים רבים יעופו ממנה, שלא יספיקו לפגוש את הגרעין בדרכם, יגרמו לביקוע שלו ובכך ייצרו דור חדש של נויטרונים הדרושים להמשך התגובה. במקרה זה, תגובת השרשרת תיפסק. על מנת שהתגובה תמשיך, יש צורך להגדיל את מסת האורניום לערך מסוים, הנקרא קרִיטִי.

מדוע מתאפשרת תגובת שרשרת כאשר המסה עולה?

כדי שתגובת שרשרת תתרחש, יש צורך כי מה שנקרא שיעור רבייההנייטרונים היו גדולים מאחד. במילים אחרות, בכל דור עוקב צריכים להיות יותר נויטרונים מאשר בדור הקודם. מקדם הכפל נקבע לא רק לפי מספר הנייטרונים המיוצרים בכל מעשה אלמנטרי, אלא גם לפי התנאים שבהם מתרחשת התגובה – חלק מהנייטרונים יכולים להיספג על ידי גרעינים אחרים או לצאת מאזור התגובה. ניוטרונים המשתחררים במהלך ביקוע גרעיני אורניום-235 מסוגלים לגרום לביקוע רק של הגרעינים של אותו אורניום, המהווה רק 0.7% מהאורניום הטבעי. ריכוז זה אינו מספיק כדי להתחיל תגובת שרשרת. איזוטופ U יכול גם לספוג נויטרונים, אבל זה לא גורם לתגובת שרשרת.

(כתוב במחברת שלך: גורם כפל ניוטרוניםק - היחס בין מספר הנייטרונים מהדור העוקב למספר בדור הקודם בכל נפח המדיום להכפלת הנייטרונים)

תגובת שרשרת באורניום עם תכולה גבוהה של אורניום-235 יכולה להתפתח רק כאשר מסת האורניום עולה על המסה הקריטית כביכול. בחתיכות קטנות של אורניום, רוב הנייטרונים עפים החוצה מבלי לפגוע בגרעין כלשהו. עבור אורניום-235 טהור, המסה הקריטית היא כ-50 ק"ג.

(כתוב במחברת שלך: מסה קריטית- הכמות המינימלית של חומר בקיע הנדרש כדי להתחיל תגובת שרשרת ביקוע המקיימת את עצמה).

(שקופית 16)

ניתן להפחית את המסה הקריטית של אורניום פעמים רבות על ידי שימוש במה שנקרא מודוני נויטרונים. העובדה היא שלנייטרונים המיוצרים במהלך ההתפרקות של גרעיני אורניום יש מהירויות גבוהות מדי, וההסתברות ללכידת נויטרונים איטיים על ידי גרעיני אורניום-235 גדולה פי מאות מאשר מהירים. מנחה הנייטרונים הטוב ביותר הוא מים כבדים H 2 O. בעת אינטראקציה עם נויטרונים, מים רגילים עצמם הופכים למים כבדים.

גרפיט, שגרעיניו אינם סופגים נויטרונים, הוא גם מנחה טוב. במהלך אינטראקציה אלסטית עם דאוטריום או גרעיני פחמן, נויטרונים מאטים את תנועתם.

השימוש בממתני נויטרונים ובמעטפת בריליום מיוחדת, המשקפת נויטרונים, מאפשר להפחית את המסה הקריטית ל-250 גרם (0.25 ק"ג).

כתוב במחברת שלך:

ניתן להפחית מסה קריטית אם:

השתמש במנחים (גרפיט, מים רגילים ומים כבדים)

קליפה רפלקטיבית (בריליום)).

ובפצצות אטום, תגובת שרשרת גרעינית בלתי מבוקרת מתרחשת כאשר שתי חתיכות של אורניום-235 מתחברות במהירות, שלכל אחת מהן יש מסה מעט מתחת לזו הקריטית.

פצצת האטום היא נשק נורא. הגורמים המזיקים שבהם הם: 1) קרינת אור (כולל קרינת רנטגן וקרינה תרמית); 2) גל הלם; 3) זיהום קרינה של האזור. אבל ביקוע גרעיני אורניום משמש גם למטרות שלום - בכורים גרעיניים בתחנות כוח גרעיניות. נשקול את התהליכים המתרחשים במקרים אלו בשיעור הבא.

אמצע המאה ה-20 מוגדר על ידי האצה של המדע: האצה פנטסטית, הכנסת הישגים מדעיים לייצור לחיינו. כל זה גורם לנו לחשוב – מה ייתן לנו המדע מחר?
להקל על כל הקשיים של הקיום האנושי הוא המטרה העיקרית של המדע המתקדם באמת. לעשות את האנושות מאושרת יותר - לא רק אחד, לא שניים, אלא אנושיות. וזה חשוב מאוד, כי כידוע, המדע יכול לפעול גם נגד אדם. הפיצוץ האטומי בערים היפניות הירושימה ונגסאקי הוא דוגמה טראגית לכך.

אז, 1945, אוגוסט. מלחמת העולם השנייה מגיעה לסיומה.

(שקופית 2)

ב-6 באוגוסט בשעה 1:45 לפנות בוקר, המריא מפציץ אמריקאי מסוג B-29 בפיקודו של קולונל פול טיבטס מהאי, שהיה במרחק של כ-6 שעות טיסה מהירושימה.

(שקופית 3)

הירושימה לאחר הפיצוץ האטומי.

שהצל שלו נודד שם בלא נראה,
התעוורת מצרות?
זה הירושימה בוכה
בענני אפר.
קולו של מי יש בחושך הלוהט?
אתה שומע את הטירוף?
זה נגסאקי בוכה
על אדמה שרופה
בבכי ובבכי הזה
אין שקר
כל העולם קפא בציפייה -
מי יבכה אחר כך?

(שקופית 4)

מספר ההרוגים מההשפעה הישירה של הפיצוץ נע בין 70 ל-80 אלף איש. עד סוף 1945, עקב זיהום רדיואקטיבי והשפעות אחרות של הפיצוץ, המספר הכולל של מקרי המוות נע בין 90 ל-166 אלף איש. לאחר 5 שנים, המספר הכולל של מקרי המוות הגיע ל-200,000 איש.

(שקופית 5)

ב-6 באוגוסט, לאחר שקיבל את החדשות על הפצצת האטום המוצלחת של הירושימה, הודיע נשיא ארה"ב טרומן כי

"אנחנו מוכנים כעת להרוס, אפילו מהר יותר ומלא יותר מבעבר, את כל מתקני הייצור היבשתיים של היפנים בכל עיר. אנחנו נהרוס את הרציפים שלהם, את המפעלים שלהם ואת התקשורת שלהם. שלא תהיה אי הבנה - נשמיד לחלוטין את יכולתה של יפן לנהל מלחמה".

(שקופית 6)

בשעה 2:47 ב-9 באוגוסט המריא מהאי מפציץ אמריקאי מסוג B-29 בפיקודו של רב סרן, שנשא על סיפונו פצצת אטום. בשעה 10:56 הגיע B-29 לנגסאקי. הפיצוץ אירע בשעה 11:02 שעון מקומי.

(שקופית 7)

מספר ההרוגים עד סוף 1945 נע בין 60 ל-80 אלף איש. לאחר 5 שנים, ייתכן שמספר ההרוגים הכולל, כולל מקרי מוות מסרטן והשפעות ארוכות טווח אחרות של הפיצוץ, הגיע או אפילו עלה על 140,000.

זה הסיפור, עצוב ומזהיר

כל אדם אינו אי,

כל אדם הוא חלק מיבשת גדולה.
ולעולם אל תשאלו למי מצלצל הפעמון.
הוא קורא לך...

קוֹנסוֹלִידַצִיָה.

מה למדנו היום בכיתה? (עם מנגנון של ביקוע של גרעיני אורניום, עם תגובת שרשרת)

מהם התנאים להתרחשות תגובת שרשרת?

מהי מסה קריטית?

מה קצב ההתרבות?

מה משמש כמנחה נויטרונים?

הִשׁתַקְפוּת.

איך אתה מרגיש כשאתה עוזב את הכיתה?

הַעֲרָכָה.

שיעורי בית: פסקאות 74,75, שאלות עמ' 252-253

מַחלָקָה

שיעור מס' 42-43

תגובת שרשרת של ביקוע של גרעיני אורניום. אנרגיה גרעינית ואקולוגיה. רדיואקטיביות. חצי חיים.

תגובות גרעיניות

תגובה גרעינית היא תהליך של אינטראקציה של גרעין אטום עם גרעין אחר או חלקיק יסודי, המלווה בשינוי בהרכב ובמבנה של הגרעין ושחרור חלקיקים משניים או γ-קוואנטה.

כתוצאה מתגובות גרעיניות, יכולים להיווצר איזוטופים רדיואקטיביים חדשים שאינם נמצאים על פני כדור הארץ בתנאים טבעיים.

התגובה הגרעינית הראשונה בוצעה על ידי E. Rutherford בשנת 1919 בניסויים לאיתור פרוטונים במוצרי ריקבון גרעיניים (ראה סעיף 9.5). רתרפורד הפציץ אטומי חנקן עם חלקיקי אלפא. כאשר החלקיקים התנגשו, התרחשה תגובה גרעינית, שהתנהלה על פי התוכנית הבאה:

במהלך תגובות גרעיניות מספר חוקי שימור: דחף, אנרגיה, תנע זוויתי, מטען. בנוסף לחוקי השימור הקלאסיים הללו בתגובות גרעיניות, חוק השימור של מה שנקרא מטען בריון(כלומר, מספר הנוקלונים - פרוטונים וניוטרונים). עוד מתקיימים מספר חוקי שימור ספציפיים לפיזיקת גרעין וחלקיקים.

תגובות גרעיניות יכולות להתרחש כאשר אטומים מופצצים בחלקיקים טעונים מהירים (פרוטונים, נויטרונים, חלקיקי α, יונים). התגובה הראשונה מסוג זה בוצעה באמצעות פרוטונים בעלי אנרגיה גבוהה שהופקו במאיץ בשנת 1932:

כאשר M A ו-M B הם המסות של התוצרים הראשוניים, M C ו-M D הם המסות של תוצרי התגובה הסופיים. הכמות ΔM נקראת פגם המוני. תגובות גרעיניות יכולות להתרחש עם השחרור (Q > 0) או עם ספיגת האנרגיה (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

כדי שלתגובה גרעינית תהיה תפוקת אנרגיה חיובית, אנרגיית קשירה ספציפיתגרעינים בגרעינים של התוצרים הראשוניים חייבים להיות פחות מאנרגיית הקישור הספציפית של נוקלונים בגרעינים של התוצרים הסופיים. המשמעות היא שערך ΔM חייב להיות חיובי.

ישנן שתי דרכים שונות מהותית לשחרור אנרגיה גרעינית.

1. ביקוע של גרעינים כבדים. בניגוד להתפרקות הרדיואקטיבית של גרעינים, המלווה בפליטת חלקיקי α או β, תגובות ביקוע הן תהליך שבו גרעין לא יציב מחולק לשני שברים גדולים של מסות דומות.

בשנת 1939 גילו המדענים הגרמנים או. האן ופ. שטרסמן את הביקוע של גרעיני אורניום. בהמשך למחקר שהתחיל פרמי, הם קבעו שכאשר אורניום מופגז בניוטרונים, נוצרים יסודות מהחלק האמצעי של הטבלה המחזורית - איזוטופים רדיואקטיביים של בריום (Z = 56), קריפטון (Z = 36) וכו'.

אורניום מופיע בטבע בצורה של שני איזוטופים: (99.3%) ו- (0.7%). כשהם מופצצים על ידי נויטרונים, הגרעינים של שני האיזוטופים יכולים להתפצל לשני שברים. במקרה זה, תגובת הביקוע מתרחשת בצורה האינטנסיבית ביותר עם נויטרונים איטיים (תרמיים), בעוד שגרעינים נכנסים לתגובת ביקוע רק עם נויטרונים מהירים עם אנרגיה בסדר גודל של 1 MeV.

העניין העיקרי של אנרגיה גרעינית הוא תגובת הביקוע של גרעין. כיום ידועים כ-100 איזוטופים שונים עם מספרי מסה מ-90 עד 145 בקירוב, הנובעים מביקוע גרעין זה. שתי תגובות ביקוע אופייניות של גרעין זה הן:

שימו לב שביקוע גרעיני יזום על ידי נויטרון מייצר נויטרונים חדשים שיכולים לגרום לתגובות ביקוע בגרעינים אחרים. תוצרי ביקוע של גרעיני אורניום-235 יכולים להיות גם איזוטופים אחרים של בריום, קסנון, סטרונציום, רובידיום וכו'.

האנרגיה הקינטית המשתחררת במהלך הביקוע של גרעין אורניום אחד היא עצומה - כ-200 MeV. ניתן לבצע אומדן של האנרגיה המשתחררת במהלך הביקוע הגרעיני באמצעות אנרגיית קשירה ספציפיתנוקלונים בגרעין. אנרגיית הקישור הספציפית של גרעינים בגרעינים בעלי מסה A ≈ 240 היא בערך 7.6 MeV/נוקלאון, בעוד שבגרעינים עם מספרי מסה A = 90-145 האנרגיה הספציפית היא בערך 8.5 MeV/נוקלאון. כתוצאה מכך, ביקוע של גרעין אורניום משחרר אנרגיה בסדר גודל של 0.9 MeV/נוקלאון, או כ-210 MeV לכל אטום אורניום. עם ביקוע מוחלט של כל הגרעינים הכלולים ב-1 גרם של אורניום, משתחררת אותה אנרגיה כמו בעת בעירה של 3 טון פחם או 2.5 טון נפט.

תוצרי הביקוע של גרעין האורניום אינם יציבים מכיוון שהם מכילים מספר עודף משמעותי של נויטרונים. ואכן, יחס N/Z עבור הגרעינים הכבדים ביותר הוא בסדר גודל של 1.6 (איור 9.6.2), עבור גרעינים עם מספרי מסה מ-90 עד 145 יחס זה הוא בסדר גודל של 1.3-1.4. לכן, גרעיני מקטע עוברים סדרה של דעיכה רציפה של β – -כתוצאה מכך מספר הפרוטונים בגרעין גדל ומספר הנייטרונים יורד עד ליצירת גרעין יציב.

איור 9.8.1.

כדי שתגובת שרשרת תתרחש, יש צורך כי מה שנקרא תרשים של התפתחות תגובת שרשרת.גורם כפל נויטרונים

היה גדול מאחד. במילים אחרות, בכל דור עוקב צריכים להיות יותר נויטרונים מאשר בדור הקודם. מקדם הכפל נקבע לא רק לפי מספר הנייטרונים המיוצרים בכל מעשה אלמנטרי, אלא גם לפי התנאים שבהם מתרחשת התגובה – חלק מהנייטרונים יכולים להיספג על ידי גרעינים אחרים או לצאת מאזור התגובה. ניוטרונים המשתחררים במהלך ביקוע גרעיני אורניום-235 מסוגלים לגרום לביקוע רק של הגרעינים של אותו אורניום, המהווה רק 0.7% מהאורניום הטבעי. ריכוז זה אינו מספיק כדי להתחיל תגובת שרשרת. האיזוטופ יכול גם לספוג נויטרונים, אבל זה לא גורם לתגובת שרשרת. תגובת שרשרת באורניום עם תכולה מוגברת של אורניום-235 יכולה להתפתח רק כאשר מסת האורניום עולה על מה שנקראמסה קריטית. בחתיכות קטנות של אורניום, רוב הנייטרונים עפים החוצה מבלי לפגוע בגרעין כלשהו. עבור אורניום-235 טהור, המסה הקריטית היא כ-50 ק"ג. ניתן להפחית את המסה הקריטית של אורניום פעמים רבות באמצעות מה שנקראמעכבים נויטרונים. העובדה היא שלנייטרונים המיוצרים במהלך ההתפרקות של גרעיני אורניום יש מהירויות גבוהות מדי, וההסתברות ללכידת נויטרונים איטיים על ידי גרעיני אורניום-235 גדולה פי מאות מאשר מהירים. מנחה הנייטרונים הטוב ביותר הואמים כבדים

גרפיט, שגרעיניו אינם סופגים נויטרונים, הוא גם מנחה טוב. במהלך אינטראקציה אלסטית עם דאוטריום או גרעיני פחמן, הנייטרונים מואטים למהירויות תרמיות.

השימוש במנחי נויטרונים ובמעטפת בריליום מיוחדת, המשקפת נויטרונים, מאפשר להפחית את המסה הקריטית ל-250 גרם.

בפצצות אטום, תגובת שרשרת גרעינית בלתי מבוקרת מתרחשת כאשר שני חלקים של אורניום-235, שלכל אחד מהם מסה מעט מתחת לקריטית, מתחברים במהירות.

מכשיר התומך בתגובת ביקוע גרעיני מבוקרת נקרא גַרעִינִי(אוֹ אָטוֹמִי) כור. התרשים של כור גרעיני המשתמש בניוטרונים איטיים מוצג באיור. 9.8.2.

איור 9.8.2.

תרשים של כור גרעיני.

התגובה הגרעינית מתרחשת בליבת הכור, אשר ממולאת במנחה וחודרת אליה מוטות המכילים תערובת מועשרת של איזוטופים אורניום בעלי תכולה גבוהה של אורניום-235 (עד 3%). מוטות בקרה המכילים קדמיום או בורון מוכנסים לליבה, אשר סופגים באופן אינטנסיבי נויטרונים. הכנסת מוטות לליבה מאפשרת לשלוט במהירות תגובת השרשרת.

מקורר הליבה באמצעות נוזל קירור שאוב, שיכול להיות מים או מתכת בעלת נקודת התכה נמוכה (לדוגמה, נתרן, בעל נקודת התכה של 98 מעלות צלזיוס). במחולל קיטור, נוזל הקירור מעביר אנרגיה תרמית למים, והופך אותו לקיטור בלחץ גבוה. הקיטור נשלח לטורבינה המחוברת לגנרטור חשמלי. מהטורבינה, אדים נכנסים למעבה. כדי למנוע דליפת קרינה, מעגלי נוזל הקירור I ומחולל הקיטור II פועלים במחזורים סגורים.

עם זאת, הבעיה העיקרית היא להבטיח בטיחות קרינה מלאה של אנשים העובדים בתחנות כוח גרעיניות ולמנוע שחרורים בשוגג של חומרים רדיואקטיביים המצטברים בכמות גדולה בליבת הכור. כאשר מפתחים כורים גרעיניים, מוקדשת תשומת לב רבה לבעיה זו. עם זאת, לאחר תאונות בכמה תחנות כוח גרעיניות, במיוחד בתחנת הכוח הגרעינית של פנסילבניה (ארה"ב, 1979) ובתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל (1986), הבעיה של בטיחות האנרגיה הגרעינית הפכה חריפה במיוחד.

יחד עם הכור הגרעיני הפועל על נויטרונים איטיים שתוארו לעיל, כורים הפועלים ללא מנחה על נויטרונים מהירים הם בעלי עניין מעשי רב. בכורים כאלה, הדלק הגרעיני הוא תערובת מועשרת המכילה לפחות 15% מהאיזוטופ היתרון של כורי נויטרונים מהירים הוא שבמהלך פעולתם, גרעיני אורניום-238, הסופגים נויטרונים, הופכים לגרעיני פלוטוניום דרך שני β עוקבים. דעיכה, אשר לאחר מכן יכולה לשמש כדלק גרעיני:

גורם הרבייה של כורים כאלה מגיע ל-1.5, כלומר, עבור 1 ק"ג של אורניום-235 מתקבל עד 1.5 ק"ג פלוטוניום. גם כורים קונבנציונליים מייצרים פלוטוניום, אך בכמויות קטנות בהרבה.

הכור הגרעיני הראשון נבנה בשנת 1942 בארה"ב בהנהגתו של א. פרמי. בארצנו, הכור הראשון נבנה בשנת 1946 בהנהגתו של I.V. Kurchatov.

2. תגובות תרמו-גרעיניות. הדרך השנייה לשחרר אנרגיה גרעינית קשורה לתגובות היתוך. כאשר גרעיני אור מתמזגים ויוצרים גרעין חדש, יש לשחרר כמות גדולה של אנרגיה. ניתן לראות זאת מעקומת אנרגיית הקישור הספציפית מול מסה מספר A (איור 9.6.1). עד גרעינים עם מספר מסה של כ-60, אנרגיית הקישור הספציפית של נוקלונים עולה עם הגדלת A. לכן, הסינתזה של כל גרעין עם A.< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

תגובות היתוך של גרעיני אור נקראות תגובות תרמו-גרעיניות,מכיוון שהם יכולים להתרחש רק בטמפרטורות גבוהות מאוד. כדי ששני גרעינים יכנסו לתגובת היתוך, עליהם להתקרב זה לזה למרחק של כוחות גרעיניים בסדר גודל של 2·10-15 מ', להתגבר על הדחייה החשמלית של המטענים החיוביים שלהם. לשם כך, האנרגיה הקינטית הממוצעת של התנועה התרמית של מולקולות חייבת לעלות על האנרגיה הפוטנציאלית של האינטראקציה של קולומב. חישוב הטמפרטורה T הנדרשת לכך מוביל לערך בסדר גודל של 10 8 –10 9 K. זוהי טמפרטורה גבוהה במיוחד. בטמפרטורה זו, החומר נמצא במצב מיונן לחלוטין, אשר נקרא פְּלַסמָה.

האנרגיה המשתחררת במהלך תגובות תרמו-גרעיניות לכל נוקלאון גבוהה פי כמה מהאנרגיה הספציפית המשתחררת בתגובות שרשרת של ביקוע גרעיני. לדוגמה, בתגובת היתוך של גרעיני דאוטריום וטריטיום

3.5 MeV/נוקלאון משתחרר. בסך הכל, תגובה זו משחררת 17.6 MeV. זוהי אחת התגובות התרמו-גרעיניות המבטיחות ביותר.

יישום תגובות תרמו-גרעיניות מבוקרותיעניק לאנושות מקור אנרגיה חדש ידידותי לסביבה וכמעט בלתי נדלה. עם זאת, השגת טמפרטורות גבוהות במיוחד והגבלת פלזמה מחוממת למיליארד מעלות מייצגת את המשימה המדעית והטכנית הקשה ביותר בדרך ליישום היתוך תרמו-גרעיני מבוקר.

בשלב זה של התפתחות המדע והטכנולוגיה, ניתן היה ליישם רק תגובת היתוך בלתי מבוקרתבפצצת מימן. הטמפרטורה הגבוהה הנדרשת להיתוך גרעיני מושגת כאן באמצעות פיצוץ של פצצת אורניום או פלוטוניום קונבנציונלית.

תגובות תרמו-גרעיניות ממלאות תפקיד חשוב ביותר בהתפתחות היקום. אנרגיית הקרינה של השמש והכוכבים היא ממקור תרמו-גרעיני.

רדיואקטיביות

כמעט 90% מ-2500 גרעיני האטום הידועים אינם יציבים. גרעין לא יציב הופך באופן ספונטני לגרעין אחר, פולט חלקיקים. תכונה זו של גרעינים נקראת רדיואקטיביות. בגרעינים גדולים נוצרת חוסר יציבות עקב תחרות בין משיכת הגרעין על ידי כוחות גרעיניים לבין דחיית הפרוטונים בקולומב. אין גרעינים יציבים עם מספר מטען Z > 83 ומספר מסה A > 209. אבל גרעינים אטומים בעלי ערכים נמוכים משמעותית של מספרי Z ו-A יכולים גם להתברר כרדיואקטיביים אם הגרעין מכיל יותר פרוטונים באופן משמעותי מאשר נויטרונים, אז חוסר היציבות נגרמת על ידי עודף של אנרגיית האינטראקציה של קולומב. גרעינים שיכילו עודף גדול של נויטרונים על פני מספר הפרוטונים מתגלים כלא יציבים בשל העובדה שמסת הנייטרון עולה על מסת הפרוטון. עלייה במסה של הגרעין מביאה לעלייה באנרגיה שלו.

תופעת הרדיואקטיביות התגלתה בשנת 1896 על ידי הפיזיקאי הצרפתי A. Becquerel, שגילה שמלחי אורניום פולטים קרינה לא ידועה שיכולה לחדור מחסומים אטומים לאור ולגרום להשחרה של האמולסיה הצילום. שנתיים לאחר מכן גילו הפיזיקאים הצרפתים מ' ופ' קירי את הרדיואקטיביות של תוריום וגילו שני יסודות רדיואקטיביים חדשים - פולוניום ורדיום

בשנים שלאחר מכן, פיזיקאים רבים, כולל א. רתרפורד ותלמידיו, חקרו את טבעה של קרינה רדיואקטיבית. נמצא שגרעינים רדיואקטיביים יכולים לפלוט חלקיקים משלושה סוגים: טעונים חיוביים ושליליים וניטרליים. שלושת סוגי הקרינה הללו נקראו קרינת α, β ו-γ. באיור. איור 9.7.1 מציג תרשים של ניסוי המאפשר לזהות את ההרכב המורכב של קרינה רדיואקטיבית. בשדה מגנטי, קרני α ו-β מוטות לכיוונים מנוגדים, וקרני β מוטות הרבה יותר. קרני γ בשדה מגנטי אינן מוסטות כלל.

שלושת סוגי הקרינה הרדיואקטיבית הללו נבדלים מאוד זה מזה ביכולתם ליינן אטומי חומר ולפיכך ביכולת החדירה שלהם. לקרינת α יש את היכולת הפחות חודרת. באוויר בתנאים רגילים, קרני α עוברות מרחק של כמה סנטימטרים. קרני β נספגות הרבה פחות בחומר. הם מסוגלים לעבור דרך שכבת אלומיניום בעובי של כמה מילימטרים. לקרני γ יש את יכולת החדירה הגדולה ביותר, המסוגלת לעבור דרך שכבת עופרת בעובי 5-10 ס"מ.

בעשור השני של המאה ה-20, לאחר גילוי המבנה הגרעיני של אטומים של א. רתרפורד, נקבע היטב שרדיואקטיביות היא תכונה של גרעיני אטום. מחקר הראה שקרני α מייצגות זרם של חלקיקי α - גרעיני הליום, קרני β הן זרם של אלקטרונים, קרני γ הן קרינה אלקטרומגנטית קצרת גל עם אורך גל קצר במיוחד λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

ריקבון אלפא. דעיכת אלפא היא התמרה ספונטנית של גרעין אטום עם מספר הפרוטונים Z והנויטרונים N לגרעין אחר (בת) המכיל את מספר הפרוטונים Z - 2 והנייטרונים N - 2. במקרה זה, נפלט חלקיק α - ה- גרעין של אטום הליום. דוגמה לתהליך כזה היא ריקבון α של רדיום:

חלקיקי אלפא שנפלטו על ידי גרעיני אטומי רדיום שימשו את רתרפורד בניסויים על פיזור על ידי גרעינים של יסודות כבדים. המהירות של חלקיקי α הנפלטים במהלך דעיכת α של גרעיני רדיום, הנמדדת מעקמומיות המסלול בשדה מגנטי, היא בערך 1.5 10 7 m/s, והאנרגיה הקינטית המתאימה היא בערך 7.5 10 -13 J ( בערך 4. 8 MeV). ניתן לקבוע ערך זה בקלות מהערכים הידועים של המסות של גרעיני האם והבת וגרעין ההליום. למרות שהמהירות של חלקיק ה-α הנמלט היא עצומה, היא עדיין רק 5% ממהירות האור, כך שבחישוב, ניתן להשתמש בביטוי לא יחסי לאנרגיה קינטית.

מחקרים הראו שחומר רדיואקטיבי יכול לפלוט חלקיקי אלפא עם מספר אנרגיות נפרדות. זה מוסבר על ידי העובדה שגרעינים יכולים להיות, כמו אטומים, במצבים נרגשים שונים. גרעין הבת עלול להגיע לאחד מהמצבים הנרגשים הללו במהלך ריקבון α. במהלך המעבר הבא של גרעין זה למצב הקרקע, נפלט קוואנטום γ. תרשים של דעיכת α של רדיום עם פליטת חלקיקי α עם שני ערכים של אנרגיות קינטיות מוצג באיור. 9.7.2.

לפיכך, ריקבון α של גרעינים מלווה במקרים רבים בקרינת γ.

בתיאוריה של ריקבון α, מניחים שניתן להיווצר בתוך גרעינים קבוצות המורכבות משני פרוטונים ושני נויטרונים, כלומר חלקיק α. גרעין האם מיועד לחלקיקי α חור פוטנציאלי, שהוא מוגבל מחסום פוטנציאלי. האנרגיה של חלקיק α בגרעין אינה מספיקה כדי להתגבר על מחסום זה (איור 9.7.3). יציאת חלקיק אלפא מהגרעין אפשרית רק בגלל תופעה מכנית קוונטית הנקראת אפקט המנהרה. על פי מכניקת הקוונטים, קיימת הסתברות שאינה אפס של חלקיק לעבור מתחת למחסום פוטנציאלי. תופעת המנהור היא הסתברותית במהותה.

ריקבון בטא.במהלך ריקבון בטא, אלקטרון נפלט מהגרעין. אלקטרונים אינם יכולים להתקיים בתוך גרעינים (ראה § 9.5 הם מתעוררים במהלך ריקבון בטא כתוצאה מהפיכת נויטרון לפרוטון). תהליך זה יכול להתרחש לא רק בתוך הגרעין, אלא גם עם נויטרונים חופשיים. משך החיים הממוצע של נויטרון חופשי הוא כ-15 דקות. במהלך ריקבון, נויטרון הופך לפרוטון ואלקטרון

מדידות הראו שבתהליך זה ישנה הפרה לכאורה של חוק שימור האנרגיה, שכן האנרגיה הכוללת של הפרוטון והאלקטרון הנובעת מהתפרקות של נויטרון קטנה מהאנרגיה של הנייטרון. ב-1931, W. Pauli הציע שבמהלך דעיכת נויטרון משתחרר חלקיק נוסף בעל מסה ומטען אפס, אשר נושא חלק מהאנרגיה. החלקיק החדש קיבל את השם נייטרינו(נייטרון קטן). בשל היעדר מטען ומסה של ניטרינו, חלקיק זה מקיים אינטראקציה חלשה מאוד עם אטומי החומר, ולכן קשה מאוד לזהות אותו בניסוי. יכולת היינון של נויטרינו קטנה עד כדי כך שאירוע יינון אחד באוויר מתרחש כ-500 ק"מ מהדרך. חלקיק זה התגלה רק בשנת 1953. כיום ידוע שיש כמה סוגים של ניטרינו. במהלך ריקבון של נויטרון, חלקיק מיוצר, אשר נקרא אלקטרונים אנטינויטרינו. זה מסומן בסמל לכן, תגובת דעיכת נויטרונים כתובה כ

תהליך דומה מתרחש בתוך גרעינים במהלך ריקבון β. אלקטרון שנוצר כתוצאה מהתפרקות של אחד הנייטרונים הגרעיניים נפלט מיד מ"בית ההורים" (הגרעין) במהירות עצומה, שיכולה להיות שונה ממהירות האור רק בשבריר אחוז. מכיוון שהתפלגות האנרגיה המשתחררת במהלך ריקבון β בין האלקטרון, הניטרינו וגרעין הבת היא אקראית, ל-β-אלקטרונים יכולות להיות מהירויות שונות בטווח רחב.

במהלך דעיכת β, מספר המטען Z גדל באחד, אך מספר המסה A נשאר ללא שינוי. מסתבר שגרעין הבת הוא הגרעין של אחד האיזוטופים של היסוד, שמספרו הסידורי בטבלה המחזורית גבוה באחד ממספרו הסידורי של הגרעין המקורי. דוגמה טיפוסית של ריקבון β היא הפיכת איזוטון תוריום הנובעת מהתפרקות α של אורניום לפלדיום

ריקבון גמא. בניגוד לרדיואקטיביות α ו-β, רדיואקטיביות γ של גרעינים אינה קשורה לשינוי במבנה הפנימי של הגרעין ואינה מלווה בשינוי במטען או במספרי מסה. גם במהלך ריקבון α וגם β, גרעין הבת עלול למצוא את עצמו במצב נרגש כלשהו ויש לו עודף אנרגיה. המעבר של גרעין ממצב נרגש למצב קרקע מלווה בפליטת כמות γ אחת או יותר, שהאנרגיה שלה יכולה להגיע לכמה MeV.

חוק ההתפרקות הרדיואקטיבית. כל דגימה של חומר רדיואקטיבי מכילה מספר עצום של אטומים רדיואקטיביים. מכיוון שההתפרקות הרדיואקטיבית היא אקראית במהותה ואינה תלויה בתנאים חיצוניים, חוק הירידה במספר N(t) של גרעינים שלא התפרקו בזמן נתון t יכול לשמש מאפיין סטטיסטי חשוב של תהליך ההתפרקות הרדיואקטיבי.

תן למספר הגרעינים N(t) שלא התפוגג להשתנות ב- ΔN במשך פרק זמן קצר Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

מקדם המידתיות λ הוא ההסתברות להתפרקות גרעינית בזמן Δt = 1 שניות. נוסחה זו פירושה שקצב השינוי של הפונקציה N(t) עומד ביחס ישר לפונקציה עצמה.

כאשר N 0 הוא המספר הראשוני של גרעינים רדיואקטיביים ב-t = 0. במהלך הזמן τ = 1 / λ, מספר הגרעינים שלא נרקבו יקטן פי e ≈ 2.7. הכמות τ נקראת זמן חיים ממוצעגרעין רדיואקטיבי.

לשימוש מעשי, נוח לכתוב את חוק ההתפרקות הרדיואקטיבית בצורה אחרת, תוך שימוש במספר 2 ולא ב-e כבסיס:

הכמות T נקראת זמן מחצית חיים. בזמן T, מחצית מהמספר המקורי של הגרעינים הרדיואקטיביים מתכלה. הכמויות T ו-τ קשורות בקשר

זמן מחצית חיים הוא הכמות העיקרית המאפיינת את קצב ההתפרקות הרדיואקטיבית. ככל שזמן מחצית החיים קצר יותר, הריקבון חזק יותר. לפיכך, עבור אורניום T ≈ 4.5 מיליארד שנים, ועבור רדיום T ≈ 1600 שנים. לכן, פעילות הרדיום גבוהה בהרבה מזו של האורניום. ישנם יסודות רדיואקטיביים עם מחצית חיים של שבריר שנייה.

לא נמצא בתנאים טבעיים, ומסתיים ביסמוט זו של ריקבון רדיואקטיבי מתרחשת כורים גרעיניים.

יישום מעניין של רדיואקטיביות הוא שיטת תיארוך ממצאים ארכיאולוגיים וגיאולוגיים לפי ריכוז איזוטופים רדיואקטיביים. שיטת התיארוך הנפוצה ביותר היא תיארוך פחמן רדיואקטיבי. איזוטופ לא יציב של פחמן מתעורר באטמוספירה עקב תגובות גרעיניות הנגרמות על ידי קרניים קוסמיות. אחוז קטן מהאיזוטופ הזה נמצא באוויר יחד עם האיזוטופ היציב הרגיל צמחים ואורגניזמים אחרים קולטים פחמן מהאוויר וצוברים את שני האיזוטופים באותם פרופורציות כמו באוויר. לאחר שהצמחים מתים, הם מפסיקים לצרוך פחמן והאיזוטופ הלא יציב הופך בהדרגה לחנקן כתוצאה מהתפרקות β עם זמן מחצית חיים של 5730 שנים. על ידי מדידה מדויקת של הריכוז היחסי של פחמן רדיואקטיבי בשרידי אורגניזמים עתיקים, ניתן לקבוע את זמן מותם.

לקרינה רדיואקטיבית מכל הסוגים (אלפא, בטא, גמא, נויטרונים), כמו גם לקרינה אלקטרומגנטית (קרני רנטגן) השפעה ביולוגית חזקה מאוד על אורגניזמים חיים, המורכבת מתהליכי עירור ויינון של אטומים ומולקולות שיוצרות למעלה תאים חיים. בהשפעת הקרינה המייננת נהרסות מולקולות מורכבות ומבנים תאיים, מה שמוביל לנזקי קרינה לגוף. לכן, כאשר עובדים עם כל מקור קרינה, יש צורך לנקוט בכל האמצעים כדי להגן על אנשים שעלולים להיחשף לקרינה.

עם זאת, אדם יכול להיחשף לקרינה מייננת בבית. הגז הרדיואקטיבי, חסר הצבע, יכול להוות סכנה חמורה לבריאות האדם, כפי שניתן לראות מהתרשים המוצג באיור. 9.7.5, ראדון הוא תוצר של ריקבון α של רדיום ובעל זמן מחצית חיים T = 3.82 ימים. רדיום נמצא בכמויות קטנות באדמה, באבנים ובמבני בניין שונים. למרות אורך החיים הקצר יחסית, ריכוז הראדון מתחדש ברציפות עקב התפרקות חדשה של גרעיני רדיום, ולכן ראדון יכול להצטבר בחללים סגורים. ברגע שהוא נמצא בריאות, הראדון פולט חלקיקי α והופך לפולוניום, שאינו חומר אינרטי מבחינה כימית. להלן שרשרת של טרנספורמציות רדיואקטיביות של סדרת האורניום (איור 9.7.5). לפי הוועדה האמריקאית לבטיחות ובקרה בקרינה, אדם ממוצע מקבל 55% מהקרינה המייננת שלו מרדון ורק 11% מטיפול רפואי. תרומת הקרניים הקוסמיות היא כ-8%. מנת הקרינה הכוללת שאדם מקבל במהלך חייו קטנה פי כמה המינון המרבי המותר(SDA), שהוקם עבור אנשים במקצועות מסוימים הנתונים לחשיפה נוספת לקרינה מייננת.

ביקוע גרעיני אורניום התגלה ב-1938 על ידי המדענים הגרמנים או. האן ופ. שטרסמן. הם הצליחו לקבוע שכאשר גרעיני אורניום מופגזים בניוטרונים, נוצרים יסודות מהחלק האמצעי של הטבלה המחזורית: בריום, קריפטון וכו'. הפירוש הנכון לעובדה זו ניתן על ידי הפיזיקאי האוסטרי ל. מייטנר והאנגלים הפיזיקאי או. פריש. הם הסבירו את הופעת היסודות הללו בהתפרקות של גרעיני אורניום שלכדו נויטרון לשני חלקים שווים בערך. תופעה זו נקראת ביקוע גרעיני, והגרעינים שנוצרו נקראים שברי ביקוע.

ראה גם

Vasiliev A. ביקוע אורניום: מקלפרוט להאן // קוואנטום. - 2001. - מס' 4. - עמ' 20-21,30.

דגם טיפות של הגרעין

ניתן להסביר את תגובת הביקוע הזו על סמך מודל הטיפות של הגרעין. בדגם זה, הליבה נחשבת כטיפה של נוזל בלתי דחוס טעון חשמלי. בנוסף לכוחות הגרעיניים הפועלים בין כל הגרעינים של הגרעין, הפרוטונים חווים דחייה אלקטרוסטטית נוספת, וכתוצאה מכך הם ממוקמים בפריפריה של הגרעין. במצב לא נרגש, כוחות הדחייה האלקטרוסטטית מתוגמלים, כך שלגרעין יש צורה כדורית (איור 1, א).

לאחר שגרעין \(~^(235)_(92)U\) לוכד נויטרון, נוצר גרעין ביניים \(~(^(236)_(92)U)^*\), שנמצא במתח נרגש מְדִינָה. במקרה זה, אנרגיית הנייטרונים מפוזרת באופן שווה בין כל הגרעינים, וגרעין הביניים עצמו מעוות ומתחיל לרטוט. אם העירור קטן, אז הגרעין (איור 1, ב), משחרר את עצמו מעודף אנרגיה על ידי פליטת γ -קוונטי או נויטרון, חוזר למצב יציב. אם אנרגיית העירור גבוהה מספיק, אז העיוות של הליבה במהלך תנודות יכול להיות כה גדול עד שנוצרת בה מותניים (איור 1, ג), בדומה למותניים בין שני חלקים של טיפת נוזל מתפצלת. כוחות גרעיניים הפועלים במותניים צרים אינם יכולים עוד לעמוד בכוח הדחייה המשמעותי של קולומב של חלקים מהגרעין. המותניים נשברים, והליבה מתפרקת לשני "שברים" (איור 1, ד), שעפים לכיוונים מנוגדים.

uran.swfהבזק: ביקוע אורניום הגדל הבזק איור. 2.

כיום ידועים כ-100 איזוטופים שונים עם מספרי מסה מ-90 עד 145 לערך, הנובעים מביקוע גרעין זה. שתי תגובות ביקוע אופייניות של גרעין זה הן:

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

כאשר גרעיני האטומים הכבדים מתפצלים (\(~^(235)_(92)U\)), משתחררת אנרגיה גדולה מאוד - כ-200 MeV במהלך הביקוע של כל גרעין. כ-80% מהאנרגיה הזו משתחררת כאנרגיה קינטית של שברים; 20% הנותרים מקורם באנרגיה של קרינה רדיואקטיבית משברים ואנרגיה קינטית של נויטרונים מיידיים.

ניתן לבצע אומדן של האנרגיה המשתחררת במהלך הביקוע הגרעיני באמצעות אנרגיית הקישור הספציפית של נוקלונים בגרעין. אנרגיית קישור ספציפית של גרעינים בגרעינים עם מספר מסה א≈ 240 בסדר גודל של 7.6 MeV/נוקלאון, בעוד שבגרעינים עם מספרי מסה א= 90 - 145 אנרגיה ספציפית היא בערך 8.5 MeV/נוקלאון. כתוצאה מכך, ביקוע של גרעין אורניום משחרר אנרגיה בסדר גודל של 0.9 MeV/נוקלאון, או כ-210 MeV לכל אטום אורניום. עם ביקוע מוחלט של כל הגרעינים הכלולים ב-1 גרם של אורניום, משתחררת אותה אנרגיה כמו בעת בעירה של 3 טון פחם או 2.5 טון נפט.

ראה גם

ורלמוב א.א. דגם טיפות של הגרעין //קוואנטום. - 1986. - מס' 5. - עמ' 23-24

תגובת שרשרת

תגובת שרשרת- תגובה גרעינית שבה החלקיקים הגורמים לתגובה נוצרים כתוצרים של תגובה זו.

reakcia.swfפלאש: תגובת שרשרת הגדל פלאש איור. 4.

אורניום מופיע בטבע בצורה של שני איזוטופים \[~^(238)_(92)U\] (99.3%) ו-\(~^(235)_(92)U\) (0.7%). כשהם מופצצים על ידי נויטרונים, הגרעינים של שני האיזוטופים יכולים להתפצל לשני שברים. במקרה זה, תגובת הביקוע \(~^(235)_(92)U\) מתרחשת בצורה האינטנסיבית ביותר עם נויטרונים איטיים (תרמיים), בעוד שהגרעינים \(~^(238)_(92)U\) מגיבים לביקוע רק עם נויטרונים מהירים עם אנרגיות בסדר גודל של 1 MeV. אחרת, אנרגיית העירור של הגרעינים המתקבלים \(~^(239)_(92)U\) מתבררת כלא מספקת לביקוע, ואז מתרחשות תגובות גרעיניות במקום ביקוע:

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

איזוטופ אורניום \(~^(238)_(92)U\) β -רדיואקטיבי, זמן מחצית חיים 23 דקות. איזוטופ נפטון \(~^(239)_(93)Np\) גם הוא רדיואקטיבי, עם זמן מחצית חיים של כיומיים.

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

איזוטופ הפלוטוניום \(~^(239)_(94)Np\) יציב יחסית, עם זמן מחצית חיים של 24,000 שנים. התכונה החשובה ביותר של פלוטוניום היא שהוא בקיע בהשפעת נויטרונים באותו אופן כמו \(~^(235)_(92)U\). לכן, בעזרת \(~^(239)_(94)Np\) ניתן לבצע תגובת שרשרת.

דיאגרמת תגובת השרשרת שנדונה לעיל מייצגת מקרה אידיאלי. בתנאים אמיתיים, לא כל הנייטרונים המיוצרים במהלך הביקוע משתתפים בביקוע של גרעינים אחרים. חלקם נלכדים על ידי הגרעינים הלא בקיעים של אטומים זרים, אחרים עפים החוצה מהאורניום (דליפת נייטרונים).

לכן, תגובת שרשרת של ביקוע של גרעינים כבדים לא תמיד מתרחשת ולא עבור כל מסה של אורניום.

גורם כפל ניוטרונים

התפתחות תגובת שרשרת מאופיינת במה שנקרא גורם הכפלת נויטרונים אֶל, אשר נמדד על ידי היחס בין המספר נ i נויטרונים הגורמים לביקוע של גרעינים של חומר באחד משלבי התגובה, למספר ננויטרונים i-1 שגרמו לביקוע בשלב הקודם של התגובה:

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

מקדם הכפל תלוי במספר גורמים, בעיקר באופי ובכמות של החומר הבקיע, ובצורה הגיאומטרית של הנפח שהוא תופס. לאותה כמות של חומר נתון יש משמעויות שונות אֶל. אֶלמקסימום אם לחומר יש צורה כדורית, שכן במקרה זה אובדן הנייטרונים המיידיים דרך פני השטח יהיה מינימלי.

מסת החומר בקיע שבו מתרחשת תגובת השרשרת עם מקדם הכפל אֶל= 1 נקרא מסה קריטית. בחתיכות קטנות של אורניום, רוב הנייטרונים עפים החוצה מבלי לפגוע בגרעין כלשהו.

ערכה של המסה הקריטית נקבע על פי הגיאומטריה של המערכת הפיזית, המבנה והסביבה החיצונית שלה. לפיכך, עבור כדור אורניום טהור \(~^(235)_(92)U\) המסה הקריטית היא 47 ק"ג (כדור בקוטר 17 ס"מ). ניתן להפחית את המסה הקריטית של אורניום פעמים רבות על ידי שימוש במה שנקרא מודוני נויטרונים. העובדה היא שלנייטרונים המיוצרים במהלך ההתפרקות של גרעיני אורניום יש מהירויות גבוהות מדי, וההסתברות ללכידת נויטרונים איטיים על ידי גרעיני אורניום-235 גדולה פי מאות מאשר מהירים. מנחה הנייטרונים הטוב ביותר הוא מים כבדים D 2 O. בעת אינטראקציה עם נויטרונים, מים רגילים עצמם הופכים למים כבדים.

השימוש במנחי נויטרונים ובמעטפת בריליום מיוחדת, המשקפת נויטרונים, מאפשר להפחית את המסה הקריטית ל-250 גרם.

בקצב הכפל אֶל= 1 מספר גרעיני הביקוע נשמר ברמה קבועה. משטר זה מסופק בכורים גרעיניים.

אם מסת הדלק הגרעיני קטנה מהמסה הקריטית, אז מקדם הכפל אֶל < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

אם מסת הדלק הגרעיני גדולה מהמסה הקריטית, אז מקדם הכפל אֶל> 1 וכל דור חדש של נויטרונים גורם למספר הולך וגדל של בקעים. תגובת השרשרת גדלה כמו מפולת שלגים ויש לה אופי של פיצוץ, המלווה בשחרור עצום של אנרגיה ועלייה בטמפרטורת הסביבה לכמה מיליוני מעלות. סוג זה של תגובת שרשרת מתרחשת כאשר פצצת אטום מתפוצצת.

פצצה גרעינית

במצבה הרגיל, פצצה גרעינית אינה מתפוצצת מכיוון שהמטען הגרעיני בה מחולק למספר חלקים קטנים על ידי מחיצות שסופגות את תוצרי ההתפרקות של האורניום - נויטרונים. תגובת השרשרת הגרעינית שגורמת לפיצוץ גרעיני לא יכולה להתקיים בתנאים כאלה. עם זאת, אם שברי מטען גרעיני ישולבו יחד, המסה הכוללת שלהם תהפוך מספיק כדי שתתחיל להתפתח תגובת שרשרת של ביקוע אורניום. התוצאה היא פיצוץ גרעיני. יתרה מכך, כוח הפיצוץ שפותחה על ידי פצצה גרעינית קטנה יחסית שווה ערך לכוח המשתחרר במהלך פיצוץ של מיליוני ומיליארדי טונות של TNT.

אוֹרֶז. 5. פצצת אטום

חקר האינטראקציה של נויטרונים עם חומר הוביל לגילוי של סוג חדש של תגובות גרעיניות. בשנת 1939, או. האן ופ. שטרסמן חקרו את התוצרים הכימיים הנובעים מהפצצת גרעיני אורניום על ידי נויטרונים. בין תוצרי התגובה התגלה בריום, יסוד כימי בעל מסה קטנה בהרבה מהמסה של אורניום. הבעיה נפתרה על ידי הפיזיקאים הגרמנים ל' מייטנר ואו' פריש, שהראו שכאשר נויטרונים נספגים באורניום, הגרעין מתפצל לשני שברים:

אֵיפֹה ק > 1.

במהלך ביקוע של גרעין אורניום, נויטרון תרמי עם אנרגיה של ~0.1 eV משחרר אנרגיה של ~200 MeV. הנקודה המהותית היא שתהליך זה מלווה בהופעת נויטרונים המסוגלים לגרום לביקוע של גרעיני אורניום אחרים - תגובת שרשרת ביקוע . לפיכך, נויטרון אחד יכול להוליד שרשרת מסועפת של ביקועים גרעיניים, ומספר הגרעינים המשתתפים בתגובת הביקוע יגדל באופן אקספוננציאלי. נפתחו סיכויים לשימוש בתגובת שרשרת הביקוע בשני כיוונים:

· תגובת ביקוע גרעיני מבוקרת- יצירת כורים גרעיניים;

· תגובת ביקוע גרעיני בורחת- יצירת נשק גרעיני.

ב-1942 נבנה הכור הגרעיני הראשון בארה"ב. בברית המועצות, הכור הראשון הושק בשנת 1946. כיום, אנרגיה תרמית וחשמלית מופקת במאות כורים גרעיניים הפועלים במדינות שונות בעולם.

כפי שניתן לראות מאיור. 4.2, עם ערך עולה אאנרגיית קשירה ספציפית עולה עד א» 50. ניתן להסביר התנהגות זו על ידי שילוב של כוחות; אנרגיית הקישור של נוקלאון בודד גדלה אם הוא נמשך לא על ידי אחד או שניים, אלא על ידי כמה נוקלאון אחרים. עם זאת, באלמנטים עם ערכי מספר מסה גדולים יותר א» 50 אנרגיית הקישור הספציפית יורדת בהדרגה עם עלייה א.זאת בשל העובדה שכוחות המשיכה הגרעיניים הם קצרי טווח, עם רדיוס פעולה בסדר גודל של גרעין בודד. מחוץ לרדיוס זה, כוחות דחייה אלקטרוסטטיים שולטים. אם שני פרוטונים מופרדים ביותר מ-2.5 × 10 - 15 מ', אז כוחות הדחייה של קולומב ולא משיכה גרעינית שוררים ביניהם.

תוצאה של התנהגות זו של אנרגיית הקישור הספציפית בהתאם אהוא קיומם של שני תהליכים - היתוך וביקוע גרעיני . הבה נבחן את האינטראקציה בין אלקטרון לפרוטון. כאשר נוצר אטום מימן, משתחררת אנרגיה של 13.6 eV ומסת אטום המימן קטנה ב-13.6 eV מסכום המסות של אלקטרון חופשי ופרוטון. באופן דומה, המסה של שני גרעינים קלים עולה על המסה לאחר שילובם על D מ. אם תחבר אותם, הם יתמזגו תוך שחרור אנרגיה D גְבֶרֶת 2. תהליך זה נקרא היתוך גרעיני . הפרש המסה יכול לעלות על 0.5%.

אם גרעין כבד מתפצל לשני גרעינים קלים יותר, המסה שלהם תהיה קטנה ב-0.1% מהמסה של גרעין האם. גרעינים כבדים נוטים חֲלוּקָהלשני גרעינים קלים יותר עם שחרור אנרגיה. האנרגיה של פצצת אטום וכור גרעיני מייצגת את האנרגיה , משתחרר במהלך ביקוע גרעיני . אנרגיית פצצת מימן היא האנרגיה המשתחררת במהלך היתוך גרעיני. ריקבון אלפא יכול להיחשב כביקוע א-סימטרי ביותר שבו גרעין האב ממתפצל לחלקיק אלפא קטן ולגרעין שיורי גדול. ריקבון אלפא אפשרי רק אם התגובה

מִשׁקָל ממתברר כגדול מסכום המסות וחלקיק האלפא. כל הליבות עם ז> 82 (עופרת) .At ז> 92 (אורניום) מחצית חיים של ריקבון אלפא מתגלים כארוכים משמעותית מגיל כדור הארץ, ואלמנטים כאלה אינם מתרחשים בטבע. עם זאת, ניתן ליצור אותם באופן מלאכותי. לדוגמה, פלוטוניום ( ז= 94) ניתן להשיג מאורניום בכור גרעיני. הליך זה הפך לנפוץ ועולה רק 15 דולר ל-1 גרם עד כה, ניתן היה להשיג אלמנטים עד ז= 118, אולם במחיר הרבה יותר גבוה ובדרך כלל בכמויות זניחות. אפשר לקוות שרדיוכימאים ילמדו להשיג, אם כי בכמויות קטנות, יסודות חדשים מהם ז> 118.

אם ניתן היה לחלק גרעין אורניום מסיבי לשתי קבוצות של נוקלונים, אזי קבוצות הגרעינים הללו היו מסדרות את עצמן מחדש לגרעין עם קשר חזק יותר. במהלך תהליך הארגון מחדש, אנרגיה תשתחרר. ביקוע גרעיני ספונטני מותר על פי חוק שימור האנרגיה. עם זאת, המחסום הפוטנציאלי לתגובות ביקוע בגרעינים המתרחשים באופן טבעי הוא כה גבוה שההסתברות לביקוע ספונטני קטנה בהרבה מההסתברות להתפרקות אלפא. זמן מחצית החיים של 238 U גרעינים ביחס לביקוע ספונטני הוא 8×10 15 שנים. זהו יותר מפי מיליון מגיל כדור הארץ. אם נויטרון מתנגש בגרעין כבד, הוא יכול לעבור לרמת אנרגיה גבוהה יותר בסמוך לראש מחסום הפוטנציאל האלקטרוסטטי, וכתוצאה מכך להגברת ההסתברות לביקוע. לגרעין במצב נרגש יכול להיות מומנטום זוויתי משמעותי ולקבל צורה אליפסה. אזורים בפריפריה של הגרעין חודרים את המחסום ביתר קלות, מכיוון שהם חלקית כבר מאחורי המחסום. עבור גרעין בצורת אליפסה, תפקידו של המחסום נחלש עוד יותר. כאשר נלכדים גרעין או נויטרון איטי, נוצרים מצבים עם משך חיים קצר מאוד ביחס לביקוע. ההבדל במסה בין גרעין האורניום למוצרי ביקוע טיפוסיים הוא כזה שבממוצע, ביקוע האורניום משחרר אנרגיה של 200 MeV. מסת המנוחה של גרעין האורניום היא 2.2×10 5 MeV. כ-0.1% ממסה זו מומרת לאנרגיה, השווה ליחס של 200 MeV לערך של 2.2 × 10 5 MeV.

דירוג אנרגטי,שוחרר לפי חלוקה,ניתן להשיג מ נוסחאות ויזסקר :

כאשר גרעין מתחלק לשני שברים, אנרגיית פני השטח ואנרגיית קולומב משתנות , ואנרגיית פני השטח עולה, ואנרגיית הקולומב פוחתת. ביקוע אפשרי כאשר האנרגיה המשתחררת במהלך הביקוע ה > 0.

כָּאן א 1 = א/2, ז 1 = ז/2. מכאן אנו משיגים שהביקוע הוא חיובי מבחינה אנרגטית כאשר ז 2 /א> 17. גודל ז 2 /אנִקרָא פרמטר חלוקה . אֵנֶרְגִיָה ה, משתחרר במהלך החלוקה, עולה עם הגדלת ז 2 /א.

במהלך תהליך החלוקה, הגרעין משנה צורה - הוא עובר ברצף את השלבים הבאים (איור 9.4): כדור, אליפסואיד, משקולת, שני שברים בצורת אגס, שני שברים כדוריים.

לאחר שהתרחש ביקוע, והשברים ממוקמים זה מזה במרחק גדול בהרבה מהרדיוס שלהם, האנרגיה הפוטנציאלית של השברים, שנקבעת על ידי האינטראקציה של קולומב ביניהם, יכולה להיחשב שווה לאפס.

עקב התפתחות צורת הגרעין, השינוי באנרגיה הפוטנציאלית שלו נקבע על ידי השינוי בסכום האנרגיות של פני השטח וקולומב. . ההנחה היא שנפח הליבה נשאר ללא שינוי במהלך דפורמציה. במקרה זה, אנרגיית פני השטח גדלה ככל ששטח הפנים של הגרעין גדל. אנרגיית הקולומב פוחתת ככל שהמרחק הממוצע בין נוקלונים גדל. במקרה של עיוותים אליפסואידים קטנים, העלייה באנרגיית פני השטח מתרחשת מהר יותר מהירידה באנרגיית קולומב.

באזור של גרעינים כבדים, סכום האנרגיות פני השטח והקולומב גדל עם העיוות הגובר. בעיוותים אליפסואידים קטנים, עלייה באנרגיית פני השטח מונעת שינויים נוספים בצורת הגרעין, ולכן ביקוע. נוכחות של מחסום פוטנציאלי מונעת ביקוע ספונטני מיידי של גרעינים. על מנת שגרעין יתפצל באופן מיידי, יש לתת לו אנרגיה העולה על גובה מחסום הביקוע נ.

גובה מחסום נככל שהיחס בין קולומב ואנרגיית פני השטח בגרעין ההתחלתי קטן יותר, כך גדול יותר. יחס זה, בתורו, גדל עם הגדלת פרמטר ההתחלקות ז 2 /א.ככל שהליבה כבדה יותר, כך גובה המחסום נמוך יותר נ, מאחר שפרמטר הביקוע גדל עם מספר המסה עולה:

גרעינים כבדים יותר צריכים בדרך כלל להקנות פחות אנרגיה כדי לגרום לביקוע. מנוסחת Weizsäcker עולה כי גובה מחסום הביקוע נעלם ב- . הָהֵן. לפי מודל הטיפות, גרעינים עם צריכים להיעדר בטבע, מכיוון שהם מתפצלים באופן ספונטני כמעט באופן מיידי (בתוך זמן גרעיני אופייני בסדר גודל של 10-22 שניות). קיומם של גרעיני אטום עם (" אי של יציבות ") מוסבר על ידי מבנה הקליפה של גרעיני אטום. ביקוע ספונטני של גרעינים עם , שעבורו גובה המחסום נאינו שווה לאפס, מנקודת המבט של הפיזיקה הקלאסית זה בלתי אפשרי. מנקודת המבט של מכניקת הקוונטים, חלוקה כזו אפשרית כתוצאה משברים שעוברים דרך מחסום פוטנציאלי ונקראת ביקוע ספונטני . ההסתברות לביקוע ספונטני עולה עם הגדלת פרמטר הביקוע, כלומר. עם ירידה בגובה מחסום הביקוע.

ביקוע מאולץ של גרעינים עם יכולים להיגרם מכל חלקיק: פוטונים, נויטרונים, פרוטונים, דוטרונים, חלקיקי α וכו', אם האנרגיה שהם תורמים לגרעין מספיקה כדי להתגבר על מחסום הביקוע.

מסות השברים שנוצרו במהלך הביקוע על ידי נויטרונים תרמיים אינן שוות. הגרעין נוטה להתפצל בצורה כזו שהחלק העיקרי של הגרעינים של השבר יוצר ליבה מאגית יציבה. באיור. איור 9.5 מציג את התפלגות המסה במהלך החלוקה. השילוב הסביר ביותר של מספרי מסה הוא 95 ו-139.

היחס בין מספר הנייטרונים למספר הפרוטונים בגרעין הוא 1.55, בעוד שליסודות יציבים בעלי מסה קרובה למסה של שברי ביקוע, יחס זה הוא 1.25 - 1.45. כתוצאה מכך, שברי ביקוע עמוסים בניוטרונים בכבדות ואינם יציבים ל-β-דעיכה - רדיואקטיבית.

כתוצאה מביקוע, משתחררת אנרגיה של ~200 MeV. כ-80% ממנו מגיע מאנרגיה של שברים. במהלך פעולת ביקוע אחת נוצרות יותר משניים נויטרונים ביקוע עם אנרגיה ממוצעת של ~2 MeV.

1 גרם מכל חומר מכיל . ביקוע של 1 גרם אורניום מלווה בשחרור של ~ 9 × 10 10 J. זה גדול כמעט פי 3 מיליון מהאנרגיה של שריפת 1 גרם של פחם (2.9 × 10 4 J). כמובן, 1 גרם של אורניום הוא הרבה יותר יקר מ-1 גרם של פחם, אבל העלות של 1 J של אנרגיה המתקבלת משריפת פחם גבוהה פי 400 מאשר במקרה של דלק אורניום. ייצור 1 קילוואט אנרגיה עלה 1.7 סנט בתחנות כוח פחמיות ו-1.05 סנט בתחנות כוח גרעיניות.

בזכות תגובת שרשרתתהליך ביקוע גרעיני יכול להיעשות מקיים את עצמו . בכל ביקוע משתחררים 2 או 3 נויטרונים (איור 9.6). אם אחד מהנייטרונים הללו יצליח לגרום לביקוע של גרעין אורניום אחר, אז התהליך יתקיים מעצמו.

אוסף של חומר בקיע שעומד בדרישה זו נקרא הרכבה קריטית . האסיפה הראשונה כזו, שנקראה כּוּר אֲטוֹמִי , נבנה בשנת 1942 בניהולו של אנריקו פרמי בשטח אוניברסיטת שיקגו. הכור הגרעיני הראשון הושק ב-1946 בהנהגתו של I. Kurchatov במוסקבה. תחנת הכוח הגרעינית הראשונה בהספק של 5 MW הושקה בברית המועצות בשנת 1954 באובנינסק (איור 9.7).

מִסָהואתה יכול גם לעשות סופר קריטי . במקרה זה, הנייטרונים הנוצרים במהלך הביקוע יגרמו למספר ביקועים משניים. מכיוון שניוטרונים נעים במהירויות העולה על 10 8 ס"מ לשנייה, מכלול סופר קריטי יכול להגיב במלואו (או להתרחק) תוך פחות מאלפית השנייה. מכשיר כזה נקרא פצצת אטום . מטען גרעיני עשוי פלוטוניום או אורניום מועבר למצב על קריטי, לרוב בעזרת פיצוץ. המסה התת-קריטית מוקפת בחומרי נפץ כימיים. כאשר הוא מתפוצץ, מסת הפלוטוניום או האורניום עוברת דחיסה מיידית. מכיוון שצפיפות הכדור עולה באופן משמעותי, מתברר שקצב הספיגה של נויטרונים גבוה משיעור איבוד הנייטרונים עקב בריחתם החוצה. זה התנאי לסופר-ביקורתיות.

באיור. איור 9.8 מציג תרשים של פצצת האטום של הילד הקטן שהוטל על הירושימה. חומר הנפץ הגרעיני בפצצה חולק לשני חלקים, שמסתם הייתה קטנה מהמסה הקריטית. המסה הקריטית הנדרשת לפיצוץ נוצרה על ידי חיבור שני החלקים "בשיטת האקדח" באמצעות חומרי נפץ רגילים.

פיצוץ של טון אחד של טריניטרוטולואן (TNT) משחרר 10 9 קלוריות, או 4 × 10 9 J. פיצוץ של פצצת אטום הצורכת 1 ק"ג פלוטוניום משחרר כ-8 × 10 13 J של אנרגיה.

או שזה כמעט פי 20,000 יותר מהפיצוץ של טון אחד של TNT. פצצה כזו נקראת פצצה של 20 קילוטון. פצצות מגהטון מודרניות חזקות פי מיליוני מחומרי נפץ רגילים של TNT.

ייצור פלוטוניום מבוסס על הקרנה של 238 U עם נויטרונים, המובילה להיווצרות האיזוטופ 239 U, שכתוצאה מהתפרקות בטא הופך ל-239 Np, ולאחר מכן לאחר התפרקות בטא נוספת ל-239 Pu. כאשר נויטרון בעל אנרגיה נמוכה נספג, שני האיזוטופים 235 U ו-239 Pu עוברים ביקוע. תוצרי ביקוע מאופיינים בקשירה חזקה יותר (~1 MeV לנוקלאון), שבגללה משתחררים כ-200 MeV של אנרגיה כתוצאה מביקוע.

כל גרם של פלוטוניום או אורניום שנצרך מייצר כמעט גרם של תוצרי ביקוע רדיואקטיביים, בעלי רדיואקטיביות עצומה.

לצפייה בהדגמות, לחץ על ההיפר-קישור המתאים:

אהבתם את הכתבה? שתף אותו

הדפס מאמר זה