Jadrové štiepne reakcie a štiepne reťazové reakcie. Zhrnutie lekcie "Štepenie jadier uránu. Reťazová reakcia"

Jadrové reakcie. Interakcia častice s atómovým jadrom, ktorá vedie k premene tohto jadra na nové jadro s uvoľnením sekundárnych častíc alebo gama lúčov, sa nazýva jadrová reakcia.

Prvú jadrovú reakciu uskutočnil Rutherford v roku 1919. Zistil, že zrážkou alfa častíc s jadrami atómov dusíka vznikajú rýchlo sa pohybujúce protóny. To znamenalo, že jadro izotopu dusíka sa v dôsledku zrážky s časticou alfa premenilo na jadro izotopu kyslíka:

Jadrové reakcie sa môžu vyskytnúť pri uvoľnení alebo absorpcii energie. Pomocou zákona o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou možno určiť energetický výstup jadrovej reakcie nájdením rozdielu v hmotnosti častíc vstupujúcich do reakcie a v produktoch reakcie:

Reťazová reakcia štiepenia jadier uránu. Spomedzi rôznych jadrových reakcií majú v živote modernej ľudskej spoločnosti mimoriadny význam reťazové reakcie štiepenia niektorých ťažkých jadier.

Štiepna reakcia jadier uránu pri bombardovaní neutrónmi bola objavená v roku 1939. Výsledkom experimentálnych a teoretických štúdií, ktoré vykonali E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, sa zistilo, že keď jeden neutrón zasiahne jadro uránu, jadro sa rozdelí na dve alebo tri časti.

Štiepením jedného jadra uránu sa uvoľní asi 200 MeV energie. Kinetická energia pohybu jadier fragmentov predstavuje približne 165 MeV, zvyšok energie odnášajú gama kvantá.

Keď poznáme energiu uvoľnenú pri štiepení jedného jadra uránu, možno vypočítať, že energetický výstup zo štiepenia všetkých jadier 1 kg uránu je 80 tisíc miliárd joulov. To je niekoľko miliónov krát viac, ako sa uvoľní pri spaľovaní 1 kg uhlia alebo ropy. Preto sa hľadali spôsoby, ako uvoľniť jadrovú energiu vo významných množstvách na praktické účely.

Prvý návrh o možnosti reťazových jadrových reakcií vyslovil F. Joliot-Curie v roku 1934. V roku 1939 spolu s H. Halbanom a L. Kowarskim experimentálne zistili, že pri štiepení jadra uránu sa okrem jadrové fragmenty, 2 -3 voľné neutróny. Za priaznivých podmienok môžu tieto neutróny zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť ich štiepenie. Keď sa štiepia tri jadrá uránu, malo by sa uvoľniť 6-9 nových neutrónov, spadnú do nových jadier uránu atď. Diagram vývoja reťazovej reakcie štiepenia jadier uránu je uvedený na obrázku 316.

Ryža. 316

Praktická implementácia reťazových reakcií nie je taká jednoduchá úloha, ako vyzerá na obrázku. Neutróny uvoľnené pri štiepení jadier uránu sú schopné spôsobiť štiepenie iba jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 235, ale ich energia nestačí na zničenie jadier izotopu uránu s hmotnostným číslom 238. V prírodnom uráne je podiel uránu s hmotnostným číslom 238 99,8 % a uránu s hmotnostným číslom 235 len 0,7 %. Preto je prvý možný spôsob uskutočnenia štiepnej reťazovej reakcie spojený so separáciou izotopov uránu a produkciou izotopu v jeho čistej forme v dostatočne veľkých množstvách. Nevyhnutnou podmienkou pre vznik reťazovej reakcie je prítomnosť dostatočne veľkého množstva uránu, keďže v malej vzorke väčšina neutrónov preletí vzorkou bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro. Minimálna hmotnosť uránu, v ktorej môže dôjsť k reťazovej reakcii, sa nazýva kritická hmotnosť. Kritická hmotnosť pre urán-235 je niekoľko desiatok kilogramov.

Najjednoduchší spôsob, ako uskutočniť reťazovú reakciu v uráne-235, je nasledujúci: vyrobia sa dva kusy kovového uránu, každý s hmotnosťou o niečo menšou ako je kritická. Reťazová reakcia nemôže nastať v každom z nich samostatne. Keď sa tieto kúsky rýchlo spoja, rozvinie sa reťazová reakcia a uvoľní sa kolosálna energia. Teplota uránu dosahuje milióny stupňov, samotný urán a akékoľvek ďalšie látky v okolí sa menia na paru. Horúca plynná guľa sa rýchlo rozpína, horí a ničí všetko, čo jej stojí v ceste. Takto dochádza k jadrovému výbuchu.

Je veľmi ťažké využiť energiu jadrového výbuchu na mierové účely, pretože uvoľňovanie energie je nekontrolovateľné. Riadené reťazové reakcie štiepenia jadier uránu sa uskutočňujú v jadrových reaktoroch.

Nukleárny reaktor. Prvými jadrovými reaktormi boli pomalé neutrónové reaktory (obr. 317). Väčšina neutrónov uvoľnených pri štiepení jadier uránu má energiu 1-2 MeV. Ich rýchlosti sú približne 107 m/s, preto sa nazývajú rýchle neutróny. Pri takýchto energiách neutróny interagujú s uránom a jadrami uránu s približne rovnakou účinnosťou. A keďže v prírodnom uráne je 140-krát viac jadier uránu ako jadier uránu, väčšina týchto neutrónov je absorbovaná jadrami uránu a reťazová reakcia sa nerozvinie. Neutróny pohybujúce sa rýchlosťou blízkou rýchlosti tepelného pohybu (asi 2·10 3 m/s) sa nazývajú pomalé alebo tepelné. Pomalé neutróny dobre interagujú s jadrami uránu 235 a sú nimi absorbované 500-krát efektívnejšie ako rýchle neutróny. Preto, keď sa prírodný urán ožaruje pomalými neutrónmi, väčšina z nich sa absorbuje nie v jadrách uránu-238, ale v jadrách uránu-235 a spôsobí ich štiepenie. V dôsledku toho, aby sa reťazová reakcia v prírodnom uráne rozvinula, musia sa rýchlosti neutrónov znížiť na tepelné.

Ryža. 317

Neutróny sa spomaľujú v dôsledku zrážok s atómovými jadrami prostredia, v ktorom sa pohybujú. Na spomalenie neutrónov v reaktore sa používa špeciálna látka nazývaná moderátor. Jadrá atómov moderátorskej látky musia mať relatívne malú hmotnosť, keďže pri zrážke s ľahkým jadrom stráca neutrón viac energie ako pri zrážke s ťažkým. Najbežnejšími moderátormi sú obyčajná voda a grafit.

Priestor, v ktorom prebieha reťazová reakcia, sa nazýva jadro reaktora. Na zníženie úniku neutrónov je jadro reaktora obklopené neutrónovým reflektorom, ktorý značnú časť unikajúcich neutrónov odvádza do aktívnej zóny. Rovnaká látka, ktorá slúži ako moderátor, sa zvyčajne používa ako reflektor.

Energia uvoľnená počas prevádzky reaktora sa odstraňuje pomocou chladiacej kvapaliny. Ako chladivo možno použiť len kvapaliny a plyny, ktoré nemajú schopnosť absorbovať neutróny. Ako chladivo sa široko používa obyčajná voda, niekedy sa používa oxid uhličitý a dokonca aj tekutý kovový sodík.

Reaktor je riadený pomocou špeciálnych riadiacich (alebo regulačných) tyčí vložených do aktívnej zóny reaktora. Regulačné tyče sú vyrobené zo zlúčenín bóru alebo kadmia, ktoré absorbujú tepelné neutróny s veľmi vysokou účinnosťou. Pred spustením reaktora do prevádzky sú úplne zavedené do jeho aktívnej zóny. Tým, že pohlcujú značnú časť neutrónov, znemožňujú rozvoj reťazovej reakcie. Na spustenie reaktora sa riadiace tyče postupne odstraňujú z aktívnej zóny, kým uvoľnenie energie nedosiahne vopred stanovenú úroveň. Keď výkon stúpne nad nastavenú úroveň, zapnú sa automatické stroje, ktoré ponoria riadiace tyče hlboko do jadra.

Jadrová energia. Jadrová energia bola u nás po prvý raz uvedená do služieb mieru. Prvým organizátorom a vedúcim prác na atómovej vede a technike v ZSSR bol akademik Igor Vasiljevič Kurčatov (1903-1960).

V súčasnosti je najväčšia v ZSSR a Európe Leningradská JE pomenovaná po. IN AND. Lenin má výkon 4000 MW, t.j. 800-násobok výkonu prvej jadrovej elektrárne.

Náklady na elektrinu vyrobenú vo veľkých jadrových elektrárňach sú nižšie ako náklady na elektrinu vyrobenú v tepelných elektrárňach. Preto sa jadrová energia rozvíja zrýchleným tempom.

Jadrové reaktory sa používajú ako elektrárne na námorných lodiach. Prvá mierová loď na svete s jadrovou elektrárňou, ľadoborec Lenin s jadrovým pohonom, bola postavená v Sovietskom zväze v roku 1959.

Sovietsky jadrový ľadoborec Arktika postavený v roku 1975 sa stal prvou hladinovou loďou na svete, ktorá dosiahla severný pól.

Termonukleárna reakcia. Jadrová energia sa uvoľňuje nielen pri jadrových reakciách štiepenia ťažkých jadier, ale aj pri reakciách kombinácie ľahkých atómových jadier.

Na spojenie podobne nabitých protónov je potrebné prekonať Coulombove odpudivé sily, čo je možné pri dostatočne vysokých rýchlostiach zrážania častíc. Vo vnútri hviezd existujú nevyhnutné podmienky na syntézu jadier hélia z protónov. Na Zemi sa termonukleárna fúzna reakcia uskutočnila počas experimentálnych termonukleárnych výbuchov.

Syntéza hélia z ľahkého izotopu vodíka prebieha pri teplote asi 108 K a pre syntézu hélia z ťažkých izotopov vodíka - deutéria a trícia - podľa schémy

vyžaduje zahriatie na približne 5 10 7 K.

Keď sa 1 g hélia syntetizuje z deutéria a trícia, uvoľnená energia je 4,2·10 11 J. Táto energia sa uvoľní, keď sa spáli 10 ton motorovej nafty.

Zásoby vodíka na Zemi sú prakticky nevyčerpateľné, preto je využitie energie termonukleárnej fúzie na mierové účely jednou z najdôležitejších úloh modernej vedy a techniky.

Riadená termonukleárna reakcia syntézy hélia z ťažkých izotopov vodíka zahrievaním má prebiehať prechodom elektrického prúdu cez plazmu. Aby sa zohriata plazma nedostala do kontaktu so stenami komory, používa sa magnetické pole. V experimentálnom zariadení Tokamak-10 sa sovietskym fyzikom podarilo zohriať plazmu na teplotu 13 miliónov stupňov. Vodík je možné zohriať na vyššie teploty pomocou laserového žiarenia. Aby to bolo možné, svetelné lúče z niekoľkých laserov sa musia zamerať na sklenenú guľu obsahujúcu zmes ťažkých izotopov deutéria a trícia. Pri pokusoch na laserových inštaláciách sa už podarilo získať plazmu s teplotou niekoľkých desiatok miliónov stupňov.

Hodina fyziky v 9. ročníku

„Štepenie jadier uránu. Reťazová reakcia"

Účel lekcie: oboznámiť študentov s procesom štiepenia atómových jadier uránu a mechanizmom reťazovej reakcie.

Úlohy:

vzdelávacie:

študovať mechanizmus štiepenia jadier uránu-235; zaviesť pojem kritického množstva; určiť faktory, ktoré určujú výskyt reťazovej reakcie.

vzdelávacie:

viesť študentov k pochopeniu významu vedeckých objavov a nebezpečenstvo, ktoré môže pochádzať z vedeckých úspechov s bezmyšlienkovým, negramotným alebo nemorálnym postojom k nim.

vyvíja:

rozvoj logického myslenia; rozvoj monologickej a dialogickej reči; rozvoj mentálnych operácií u žiakov: analýza, porovnávanie, učenie. Vytvorenie predstavy o celistvosti obrazu sveta

Typ lekcie: lekciu osvojovania si nových vedomostí.

Kompetencie, ktoré má lekcia rozvíjať:

hodnotovo-sémantický - schopnosť vidieť a porozumieť svetu okolo nás,

všeobecná kultúrna - študentské zvládnutie vedeckého obrazu sveta,

vzdelávacie a kognitívne - schopnosť rozlíšiť fakty od špekulácií,

Komunikácia – skupinová práca, zvládnutie rôznych sociálnych rolí v tíme,

kompetencie osobného sebazdokonaľovania – kultúra myslenia a správania

Postup lekcie: 1. Organizačný moment.

Prišla nová lekcia. Usmejem sa na vás a vy sa budete usmievať jeden na druhého. A budete si myslieť: aké je dobré, že sme tu dnes všetci spolu. Sme skromní a láskaví, priateľskí a láskaví. Všetci sme zdraví. - Zhlboka sa nadýchnite a vydýchnite. Vydýchnite včerajší odpor, hnev a úzkosť. Prajem nám všetkým dobrú lekciu .

2. Kontrola domácich úloh.

Test.

1. Aký náboj má jadro?

1) kladné 2) záporné 3) jadro nemá náboj

2. Čo je alfa častica?

1) elektrón 2) jadro atóm hélia

3) elektromagnetické žiarenie

3. Koľko protónov a neutrónov obsahuje jadro atómu berýliaBe?

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

4. Jadro ktorého chemického prvku vzniká pri α - rozpade rádia?

Ra → ? +On.

1) radón 2) urán 3) fermium

5. Hmotnosť jadra je vždy ... súčet hmotností nukleónov, z ktorých pozostáva.

1) väčší ako 2) rovný 3) menší

6. Neutrón je častica

1) majúci náboj +1, atómovú hmotnosť 1;

2) mať poplatok – 1, atómová hmotnosť 0;

3) s nábojom 0, atómovou hmotnosťou 1.

7.Uveďte druhý produkt jadrovej reakcie

Odpovede: Možnosť 1. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Ako protóny v jadre navzájom elektricky interagujú?

9. Čo je hromadný defekt? Zapíšte vzorec.

10. Čo je väzbová energia? Zapíšte vzorec.

Učenie sa nového materiálu.

Nedávno sme sa dozvedeli, že niektoré chemické prvky sa počas rádioaktívneho rozpadu premieňajú na iné chemické prvky. Čo si myslíte, že sa stane, ak pošlete nejakú časticu do jadra atómu nejakého chemického prvku, napríklad neutrón do jadra uránu?

V roku 1939 nemeckí vedci Otto Hahn a Fritz Strassmann objavili štiepenie jadier uránu. Zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi sa objavujú prvky strednej časti periodickej tabuľky – rádioaktívne izotopy bária (Z = 56), kryptónu (Z = 36) atď.

Uvažujme podrobnejšie o procese štiepenia jadra uránu pri bombardovaní neutrónom podľa obrázku. Neutrón vstupujúci do jadra uránu je ním absorbovaný. Jadro sa vzruší a začne sa deformovať ako kvapka kvapaliny.

Jadro sa vzruší a začne sa deformovať. Prečo sa jadro rozpadá na dve časti? Pod akými silami dochádza k prasknutiu?

Aké sily pôsobia vo vnútri jadra?

– Elektrostatické a jadrové.

Dobre, ale ako sa prejavujú elektrostatické sily?

– Medzi nabitými časticami pôsobia elektrostatické sily. Nabitá častica v jadre je protón. Keďže je protón kladne nabitý, znamená to, že medzi nimi pôsobia odpudivé sily.

Pravda, ale ako sa prejavujú jadrové sily?

– Jadrové sily sú sily príťažlivosti medzi všetkými nukleónmi.

Pod vplyvom akých síl teda jadro praskne?

– (Ak sa vyskytnú ťažkosti, kladiem usmerňujúce otázky a vediem študentov k správnemu záveru) Vplyvom elektrostatických odpudivých síl sa jadro rozpadne na dve časti, ktoré sa rozletia rôznymi smermi a vyžarujú 2-3 neutróny.

Naťahuje sa dovtedy, kým elektrické odpudivé sily nezačnú prevládať nad jadrovými. Jadro sa rozpadne na dva fragmenty, pričom sa uvoľnia dva alebo tri neutróny. Ide o technológiu štiepenia jadra uránu.

Úlomky odlietajú veľmi vysokou rýchlosťou. Ukazuje sa, že časť vnútornej energie jadra sa premieňa na kinetickú energiu letiacich úlomkov a častíc. Úlomky skončia v prostredí. Čo si myslíte, že sa s nimi deje?

– Úlomky sú v prostredí spomalené.

Aby sme neporušili zákon zachovania energie, musíme povedať, čo sa stane s kinetickou energiou?

– Kinetická energia úlomkov sa premieňa na vnútornú energiu prostredia.

Všimli ste si, že sa zmenila vnútorná energia média?

– Áno, prostredie sa zahrieva.

Bude zmena vnútornej energie ovplyvnená tým, že na štiepení sa bude podieľať rôzny počet jadier uránu?

– Samozrejme, pri súčasnom štiepení veľkého množstva jadier uránu sa vnútorná energia prostredia obklopujúceho urán zvyšuje.

Z vášho kurzu chémie viete, že reakcie môžu nastať tak pri absorpcii energie, ako aj pri jej uvoľňovaní. Čo môžeme povedať o priebehu štiepnej reakcie jadier uránu?

– Štiepna reakcia jadier uránu uvoľňuje energiu do životného prostredia.

(Snímka 13)

Urán sa v prírode vyskytuje vo forme dvoch izotopov: U (99,3 %) a U (0,7 %). V tomto prípade štiepna reakcia U prebieha najintenzívnejšie s pomalými neutrónmi, zatiaľ čo jadrá U jednoducho absorbujú neutrón a štiepenie nenastane. Hlavný záujem je preto o štiepnu reakciu jadra U. V súčasnosti je známych asi 100 rôznych izotopov s hmotnostnými číslami od asi 90 do 145, ktoré vznikajú pri štiepení tohto jadra. Dve typické štiepne reakcie tohto jadra sú:

Všimnime si, že energia uvoľnená pri štiepení jadier uránu je obrovská. Napríklad pri úplnom štiepení všetkých jadier obsiahnutých v 1 kg uránu sa uvoľní rovnaká energia ako pri spaľovaní 3000 ton uhlia. Navyše sa táto energia môže uvoľniť okamžite.

(Snímka 14)

Zistili sme, čo sa stane s úlomkami, ako sa budú správať neutróny?

Pri štiepení jadra uránu-235, ktoré je spôsobené zrážkou s neutrónom, sa uvoľnia 2 alebo 3 neutróny. Za priaznivých podmienok môžu tieto neutróny zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť ich štiepenie. V tomto štádiu sa objaví 4 až 9 neutrónov, schopných spôsobiť nové rozpady jadier uránu atď. Tento lavínovitý proces sa nazýva tzv. reťazová reakcia. (Zapíšte si do poznámkového bloku: Jadrová reťazová reakcia- sled jadrových reakcií, z ktorých každá je spôsobená časticou, ktorá sa objavila ako reakčný produkt v predchádzajúcom kroku sledu). Vývojový diagram reťazovej reakcie štiepenia jadier uránu zvážime podrobnejšie pomocou video fragmentu v spomalenom zábere pre podrobnejšie zváženie

Vidíme, že celkový počet voľných neutrónov v kúsku uránu sa postupom času zvyšuje ako lavína. K čomu by to mohlo viesť?

- K výbuchu.

prečo?

– Počet jadrových štiepení sa zvyšuje, a teda aj energia uvoľnená za jednotku času.

Ale je možná aj iná možnosť, v ktorej počet voľných neutrónov s časom klesá a neutrón sa na svojej ceste nestretne s jadrom. V tomto prípade čo sa stane s reťazovou reakciou?

- Prestane to.

Je možné využiť energiu takýchto reakcií na mierové účely?

Ako by mala reakcia prebiehať?

– Reakcia musí prebiehať tak, aby počet neutrónov zostal v čase konštantný.

Ako môžeme zabezpečiť, aby počet neutrónov zostal po celý čas konštantný?

– (návrhy chlapcov)

Na vyriešenie tohto problému musíte vedieť, aké faktory ovplyvňujú zvýšenie a zníženie celkového počtu voľných neutrónov v kuse uránu, v ktorom dochádza k reťazovej reakcii.

(Snímka 15)

Jedným z týchto faktorov je hmotnosť uránu . Faktom je, že nie každý neutrón emitovaný počas jadrového štiepenia spôsobuje štiepenie iných jadier. Ak je hmotnosť (a teda aj rozmery) kúska uránu príliš malá, vyletí z neho veľa neutrónov, ktoré nemajú čas stretnúť sa s jadrom na svojej ceste, spôsobia jeho štiepenie a vygenerujú tak novú generáciu uránu. neutróny potrebné na pokračovanie reakcie. V tomto prípade sa reťazová reakcia zastaví. Aby reakcia pokračovala, je potrebné zvýšiť hmotnosť uránu na určitú hodnotu, tzv kritický.

Prečo je reťazová reakcia možná s nárastom hmoty?

Aby došlo k reťazovej reakcii, je potrebné, aby tzv reprodukčná miera neutróny boli väčšie ako jedna. Inými slovami, v každej nasledujúcej generácii by malo byť viac neutrónov ako v predchádzajúcej. Multiplikačný koeficient je určený nielen počtom vyrobených neutrónov v každom elementárnom akte, ale aj podmienkami, za ktorých reakcia prebieha – časť neutrónov môže byť pohltená inými jadrami alebo opustiť reakčnú zónu. Neutróny uvoľnené pri štiepení jadier uránu-235 sú schopné spôsobiť štiepenie iba jadier toho istého uránu, ktorý tvorí len 0,7 % prírodného uránu. Táto koncentrácia nestačí na spustenie reťazovej reakcie. Izotop U môže absorbovať aj neutróny, ale nespôsobí to reťazovú reakciu.

( Napíšte si do zošita: Neutrónový multiplikačný faktork - pomer počtu neutrónov nasledujúcej generácie k počtu v predchádzajúcej generácii v celom objeme média množiaceho neutróny)

Reťazová reakcia v uráne s vysokým obsahom uránu-235 sa môže rozvinúť až vtedy, keď hmotnosť uránu prekročí takzvanú kritickú hmotnosť. V malých kúskoch uránu väčšina neutrónov vyletí von bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro. Pre čistý urán-235 je kritická hmotnosť asi 50 kg.

( Napíšte si do zošita: Kritické množstvo- minimálne množstvo štiepneho materiálu potrebné na spustenie samoudržiavacej reťazovej štiepnej reakcie).

(Snímka 16)

Kritické množstvo uránu sa dá mnohonásobne znížiť použitím takzvaných moderátorov neutrónov. Faktom je, že neutróny vznikajúce pri rozpade jadier uránu majú príliš vysoké rýchlosti a pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov jadrami uránu-235 je stokrát väčšia ako pri rýchlych. Najlepším moderátorom neutrónov je ťažká voda H 2 O. Pri interakcii s neutrónmi sa obyčajná voda sama mení na ťažkú vodu.

Dobrým moderátorom je aj grafit, ktorého jadrá neabsorbujú neutróny. Počas elastickej interakcie s jadrami deutéria alebo uhlíka neutróny spomaľujú svoj pohyb.

Použitie neutrónových moderátorov a špeciálneho berýliového obalu, ktorý odráža neutróny, umožňuje znížiť kritickú hmotnosť na 250 g (0,25 kg).

Napíšte si do zošita:

Kritická hmotnosť sa môže znížiť, ak:

Použite moderátory (grafit, obyčajná a ťažká voda)

Reflexný obal (berýlium)).

A v atómových bombách dochádza k nekontrolovanej jadrovej reťazovej reakcii, keď sa rýchlo spoja dva kusy uránu-235, z ktorých každý má hmotnosť mierne pod kritickou.

Atómová bomba je hrozná zbraň. Škodlivými faktormi sú: 1) svetelné žiarenie (vrátane röntgenového a tepelného žiarenia); 2) Rázová vlna; 3) radiačná kontaminácia oblasti. Ale štiepenie jadier uránu sa využíva aj na mierové účely – v jadrových reaktoroch v jadrových elektrárňach. Procesy vyskytujúce sa v týchto prípadoch zvážime v nasledujúcej lekcii.

Polovica 20. storočia je definovaná zrýchlením vedy: fantastickým zrýchlením, zavedením vedeckých úspechov do výroby a do našich životov. To všetko nás núti rozmýšľať – čo nám dá veda zajtra?
Zmierniť všetky útrapy ľudskej existencie je hlavným cieľom skutočne pokrokovej vedy. Aby bolo ľudstvo šťastnejšie – nie len jeden, nie dvaja, ale ľudstvo. A to je veľmi dôležité, pretože, ako viete, veda môže pôsobiť aj proti človeku. Atómový výbuch v japonských mestách Hirošima a Nagasaki je toho tragickým príkladom.

Takže august 1945. Druhá svetová vojna sa blíži ku koncu.

(Snímka 2)

6. augusta o 1:45 odštartoval americký bombardér B-29 pod velením plukovníka Paula Tibbettsa z ostrova, čo bolo približne 6 hodín letu z Hirošimy.

(Snímka 3)

Hirošima po atómovom výbuchu.

Koho tieň tam neviditeľne blúdi,
Si slepý od problémov?
Toto plače Hirošima
V oblakoch popola.
Koho hlas je v horúcej tme?
Počuješ to šialenstvo?
To Nagasaki plače
Na spálenej zemi
V tomto plači a vzlykaní
Neexistuje žiadna lož
Celý svet zamrzol v očakávaní -
Kto bude plakať ďalej?

(Snímka 4)

Počet úmrtí na priamy dopad výbuchu sa pohyboval od 70 do 80 tisíc ľudí. Do konca roku 1945 sa v dôsledku rádioaktívnej kontaminácie a ďalších následkov výbuchu celkový počet úmrtí pohyboval od 90 do 166 tisíc ľudí. Po 5 rokoch celkový počet úmrtí dosiahol 200 000 ľudí.

(Snímka 5)

6. augusta, po obdržaní správy o úspešnom atómovom bombardovaní Hirošimy, to oznámil americký prezident Truman

„Teraz sme pripravení zničiť, ešte rýchlejšie a úplnejšie ako predtým, všetky pozemné výrobné zariadenia Japoncov v akomkoľvek meste. Zničíme ich doky, továrne a komunikáciu. Nech nedošlo k nedorozumeniu – úplne zničíme schopnosť Japonska viesť vojnu.“

(Snímka 6)

9. augusta o 2:47 vzlietol z ostrova americký bombardér B-29 pod velením majora, ktorý niesol na palube atómovú bombu. O 10:56 dorazila B-29 do Nagasaki. K výbuchu došlo o 11:02 miestneho času.

(Snímka 7)

Počet úmrtí do konca roku 1945 sa pohyboval od 60 do 80 tisíc ľudí. Po 5 rokoch môže celkový počet obetí vrátane úmrtí na rakovinu a iné dlhodobé následky výbuchu dosiahnuť alebo dokonca presiahnuť 140 000.

Toto je príbeh, smutný a varujúci

Každý človek nie je ostrov,

každý človek je súčasťou veľkého kontinentu.
A nikdy sa nepýtajte, pre koho zvoní.
Volá po tebe...

Konsolidácia.

O čom sme sa dnes v triede učili? (s mechanizmom štiepenia jadier uránu, s reťazovou reakciou)

Aké sú podmienky pre vznik reťazovej reakcie?

Čo je kritická hmotnosť?

Aká je miera reprodukcie?

Čo slúži ako moderátor neutrónov?

Reflexia.

Ako sa cítiš, keď odchádzaš z triedy?

Hodnotenie.

Domáca úloha: odseky 74,75, otázky str. 252-253

Trieda

Lekcia č. 42-43

Reťazová reakcia štiepenia jadier uránu. Jadrová energia a ekológia. Rádioaktivita. Polovičný život.

Jadrové reakcie

Jadrová reakcia je proces interakcie atómového jadra s iným jadrom alebo elementárnou časticou, sprevádzaný zmenou zloženia a štruktúry jadra a uvoľnením sekundárnych častíc alebo γ-kván.

V dôsledku jadrových reakcií môžu vzniknúť nové rádioaktívne izotopy, ktoré sa v prirodzených podmienkach na Zemi nenachádzajú.

Prvú jadrovú reakciu uskutočnil E. Rutherford v roku 1919 pri pokusoch na detekciu protónov v produktoch jadrového rozpadu (pozri § 9.5). Rutherford bombardoval atómy dusíka alfa časticami. Keď sa častice zrazili, došlo k jadrovej reakcii, ktorá prebiehala podľa nasledujúcej schémy:

Počas jadrových reakcií niekoľko zákony ochrany: impulz, energia, moment hybnosti, náboj. Okrem týchto klasických zákonov zachovania pri jadrových reakciách platí zákon zachovania tzv baryónový náboj(teda počet nukleónov – protónov a neutrónov). Platí aj množstvo ďalších zákonov zachovania špecifických pre jadrovú a časticovú fyziku.

Jadrové reakcie môžu nastať, keď sú atómy bombardované rýchlo nabitými časticami (protóny, neutróny, α-častice, ióny). Prvá reakcia tohto druhu sa uskutočnila s použitím vysokoenergetických protónov vyrobených v urýchľovači v roku 1932:

kde MA a MB sú hmotnosti počiatočných produktov, Mc a MD sú hmotnosti konečných reakčných produktov. Nazýva sa veličina ΔM hromadný defekt. Jadrové reakcie môžu nastať s uvoľnením (Q > 0) alebo s absorpciou energie (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Aby jadrová reakcia mala pozitívny energetický výstup, špecifická väzbová energia nukleónov v jadrách počiatočných produktov musí byť menšia ako špecifická väzbová energia nukleónov v jadrách konečných produktov. To znamená, že hodnota ΔM musí byť kladná.

Existujú dva zásadne odlišné spôsoby uvoľňovania jadrovej energie.

1. Štiepenie ťažkých jadier. Na rozdiel od rádioaktívneho rozpadu jadier, ktorý je sprevádzaný emisiou α- alebo β-častíc, sú štiepne reakcie proces, pri ktorom je nestabilné jadro rozdelené na dva veľké fragmenty porovnateľných hmotností.

V roku 1939 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann objavili štiepenie jadier uránu. Pokračovaním vo výskume, ktorý začal Fermi, zistili, že pri bombardovaní uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti periodickej tabuľky - rádioaktívne izotopy bária (Z = 56), kryptónu (Z = 36) atď.

Urán sa v prírode vyskytuje vo forme dvoch izotopov: (99,3 %) a (0,7 %). Pri bombardovaní neutrónmi sa jadrá oboch izotopov môžu rozdeliť na dva fragmenty. V tomto prípade prebieha štiepna reakcia najintenzívnejšie pri pomalých (tepelných) neutrónoch, zatiaľ čo jadrá vstupujú do štiepnej reakcie len s rýchlymi neutrónmi s energiou rádovo 1 MeV.

Hlavným záujmom jadrovej energie je štiepna reakcia jadra.V súčasnosti je známych asi 100 rôznych izotopov s hmotnostnými číslami od približne 90 do 145, ktoré sú výsledkom štiepenia tohto jadra. Dve typické štiepne reakcie tohto jadra sú:

Všimnite si, že jadrové štiepenie iniciované neutrónom produkuje nové neutróny, ktoré môžu spôsobiť štiepne reakcie v iných jadrách. Produktmi štiepenia jadier uránu-235 môžu byť aj iné izotopy bária, xenónu, stroncia, rubídia atď.

Kinetická energia uvoľnená pri štiepení jedného jadra uránu je obrovská – asi 200 MeV. Odhad energie uvoľnenej počas jadrového štiepenia možno urobiť pomocou špecifická väzbová energia nukleóny v jadre. Špecifická väzbová energia nukleónov v jadrách s hmotnostným číslom A ≈ 240 je približne 7,6 MeV/nukleón, zatiaľ čo v jadrách s hmotnostnými číslami A = 90–145 je špecifická energia približne 8,5 MeV/nukleón. V dôsledku toho štiepenie jadra uránu uvoľňuje energiu rádovo 0,9 MeV/nukleón alebo približne 210 MeV na atóm uránu. Úplným štiepením všetkých jadier obsiahnutých v 1 g uránu sa uvoľní rovnaká energia ako pri spaľovaní 3 ton uhlia alebo 2,5 tony ropy.

Produkty štiepenia jadra uránu sú nestabilné, pretože obsahujú značný prebytok neutrónov. Pomer N/Z pre najťažšie jadrá je totiž rádovo 1,6 (obr. 9.6.2), pre jadrá s hmotnostnými číslami od 90 do 145 je tento pomer rádovo 1,3–1,4. Preto jadrá fragmentov podliehajú sérii postupných β – -rozpadov, v dôsledku ktorých sa počet protónov v jadre zvyšuje a počet neutrónov klesá, až kým sa nevytvorí stabilné jadro.

Obrázok 9.8.1. Schéma vývoja reťazovej reakcie.

Aby došlo k reťazovej reakcii, je potrebné, aby tzv multiplikačný faktor neutrónov bola väčšia ako jedna. Inými slovami, v každej nasledujúcej generácii by malo byť viac neutrónov ako v predchádzajúcej. Multiplikačný koeficient je určený nielen počtom vyrobených neutrónov v každom elementárnom akte, ale aj podmienkami, za ktorých reakcia prebieha – časť neutrónov môže byť pohltená inými jadrami alebo opustiť reakčnú zónu. Neutróny uvoľnené pri štiepení jadier uránu-235 sú schopné spôsobiť štiepenie iba jadier toho istého uránu, ktorý tvorí len 0,7 % prírodného uránu. Táto koncentrácia nestačí na spustenie reťazovej reakcie. Izotop môže absorbovať aj neutróny, ale nespôsobí to reťazovú reakciu.

Reťazová reakcia v uráne so zvýšeným obsahom uránu-235 sa môže rozvinúť až vtedy, keď hmotnosť uránu presiahne tzv. kritické množstvo. V malých kúskoch uránu väčšina neutrónov vyletí von bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro. Pre čistý urán-235 je kritická hmotnosť asi 50 kg. Kritické množstvo uránu je možné mnohonásobne znížiť použitím tzv retardéry neutróny. Faktom je, že neutróny vznikajúce pri rozpade jadier uránu majú príliš vysoké rýchlosti a pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov jadrami uránu-235 je stokrát väčšia ako pri rýchlych. Najlepší moderátor neutrónov je ťažká voda D 2 O. Pri interakcii s neutrónmi sa obyčajná voda sama mení na ťažkú.

Dobrým moderátorom je aj grafit, ktorého jadrá neabsorbujú neutróny. Počas elastickej interakcie s jadrami deutéria alebo uhlíka sa neutróny spomalia na tepelnú rýchlosť.

Použitie neutrónových moderátorov a špeciálneho berýliového obalu, ktorý odráža neutróny, umožňuje znížiť kritickú hmotnosť na 250 g.

V atómových bombách dochádza k nekontrolovanej jadrovej reťazovej reakcii, keď sa rýchlo spoja dva kusy uránu-235, z ktorých každý má hmotnosť mierne pod kritickou hodnotou.

Zariadenie, ktoré podporuje riadenú reakciu jadrového štiepenia sa nazýva tzv jadrové(alebo atómový) reaktor. Schéma jadrového reaktora využívajúceho pomalé neutróny je na obr. 9.8.2.

Obrázok 9.8.2. Schéma jadrového reaktora.

Jadrová reakcia prebieha v jadre reaktora, ktoré je naplnené moderátorom a preniknuté tyčami s obsahom obohatenej zmesi izotopov uránu s vysokým obsahom uránu-235 (až 3 %). Do jadra sú zavedené regulačné tyče obsahujúce kadmium alebo bór, ktoré intenzívne pohlcujú neutróny. Vloženie tyčí do jadra umožňuje kontrolovať rýchlosť reťazovej reakcie.

Jadro sa chladí pomocou čerpaného chladiva, ktorým môže byť voda alebo kov s nízkou teplotou topenia (napríklad sodík, ktorý má teplotu topenia 98 °C). V parnom generátore chladivo prenáša tepelnú energiu na vodu a mení ju na vysokotlakovú paru. Para sa posiela do turbíny pripojenej k elektrickému generátoru. Z turbíny para vstupuje do kondenzátora. Aby sa zabránilo úniku radiácie, okruhy chladiva I a parogenerátora II pracujú v uzavretých cykloch.

Turbína jadrovej elektrárne je tepelný motor, ktorý určuje celkovú účinnosť elektrárne v súlade s druhým termodynamickým zákonom. Moderné jadrové elektrárne majú približne rovnakú účinnosť, preto na výrobu 1000 MW elektrického výkonu musí tepelný výkon reaktora dosiahnuť 3000 MW. 2000 MW musí odviesť voda chladiaca kondenzátor. To vedie k lokálnemu prehrievaniu prírodných nádrží a následnému vzniku environmentálnych problémov.

Hlavným problémom je však zabezpečiť úplnú radiačnú bezpečnosť ľudí pracujúcich v jadrových elektrárňach a zabrániť náhodným únikom rádioaktívnych látok, ktoré sa vo veľkom množstve hromadia v aktívnej zóne reaktora. Pri vývoji jadrových reaktorov sa tomuto problému venuje veľká pozornosť. Po nehodách v niektorých jadrových elektrárňach, najmä v jadrovej elektrárni v Pensylvánii (USA, 1979) a v jadrovej elektrárni v Černobyle (1986), sa však problém bezpečnosti jadrovej energie stal obzvlášť akútnym.

Spolu s jadrovým reaktorom pracujúcim na pomalých neutrónoch opísaným vyššie sú reaktory pracujúce bez moderátora na rýchlych neutrónoch veľkým praktickým záujmom. V takýchto reaktoroch je jadrové palivo obohatená zmes obsahujúca minimálne 15 % izotopu.Výhodou rýchlych neutrónových reaktorov je, že počas ich prevádzky sa jadrá uránu-238, pohlcujúce neutróny, premieňajú na jadrá plutónia cez dva po sebe idúce β - rozpadá, ktoré potom možno použiť ako jadrové palivo:

Šľachtiteľský faktor takýchto reaktorov dosahuje 1,5, to znamená, že na 1 kg uránu-235 sa získa až 1,5 kg plutónia. Bežné reaktory tiež produkujú plutónium, ale v oveľa menšom množstve.

Prvý jadrový reaktor postavili v roku 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. U nás bol prvý reaktor postavený v roku 1946 pod vedením I.V.Kurčatova.

2. Termonukleárne reakcie. Druhý spôsob uvoľnenia jadrovej energie je spojený s fúznymi reakciami. Keď sa ľahké jadrá spoja a vytvoria nové jadro, musí sa uvoľniť veľké množstvo energie. Toto je možné vidieť z krivky špecifickej väzbovej energie oproti hmotnostnému číslu A (obr. 9.6.1). Až do jadier s hmotnostným číslom okolo 60 sa špecifická väzbová energia nukleónov zvyšuje so zvyšujúcim sa A. Preto syntéza akéhokoľvek jadra s A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Fúzne reakcie ľahkých jadier sa nazývajú termonukleárne reakcie, pretože sa môžu vyskytnúť len pri veľmi vysokých teplotách. Aby dve jadrá vstúpili do fúznej reakcie, musia sa k sebe priblížiť na vzdialenosť jadrových síl rádovo 2,10–15 m, čím prekonajú elektrické odpudzovanie ich kladných nábojov. Na to musí priemerná kinetická energia tepelného pohybu molekúl prekročiť potenciálnu energiu Coulombovej interakcie. Výpočet teploty T potrebnej na to vedie k hodnote rádovo 10 8 – 10 9 K. Ide o extrémne vysokú teplotu. Pri tejto teplote je látka v úplne ionizovanom stave, ktorý je tzv plazma.

Energia uvoľnená pri termonukleárnych reakciách na nukleón je niekoľkonásobne vyššia ako špecifická energia uvoľnená pri reťazových reakciách jadrového štiepenia. Napríklad pri fúznej reakcii jadier deutéria a trícia

Uvoľní sa 3,5 MeV/nukleón. Celkovo táto reakcia uvoľňuje 17,6 MeV. Ide o jednu z najsľubnejších termonukleárnych reakcií.

Implementácia riadené termonukleárne reakcie dá ľudstvu nový ekologický a prakticky nevyčerpateľný zdroj energie. Získanie ultravysokých teplôt a obmedzenie plazmy zohriatej na miliardu stupňov však predstavuje najťažšiu vedeckú a technickú úlohu na ceste k realizácii riadenej termonukleárnej fúzie.

V tejto etape rozvoja vedy a techniky bolo možné realizovať len nekontrolovaná fúzna reakcia vo vodíkovej bombe. Vysoká teplota potrebná na jadrovú fúziu sa tu dosahuje výbuchom klasickej uránovej alebo plutóniovej bomby.

Termonukleárne reakcie zohrávajú mimoriadne dôležitú úlohu vo vývoji vesmíru. Energia žiarenia Slnka a hviezd je termonukleárneho pôvodu.

Rádioaktivita

Takmer 90 % zo známych 2500 atómových jadier je nestabilných. Nestabilné jadro sa spontánne premieňa na iné jadrá, pričom emitujú častice. Táto vlastnosť jadier je tzv rádioaktivita. Vo veľkých jadrách vzniká nestabilita v dôsledku konkurencie medzi priťahovaním nukleónov jadrovými silami a Coulombovým odpudzovaním protónov. Neexistujú stabilné jadrá s nábojovým číslom Z > 83 a hmotnostným číslom A > 209. Rádioaktívne však môžu byť aj atómové jadrá s výrazne nižšími hodnotami čísel Z a A. Ak jadro obsahuje výrazne viac protónov ako neutrónov, potom je nestabilita spôsobená prebytkom Coulombovej interakčnej energie . Jadrá, ktoré by obsahovali veľký prebytok neutrónov nad počtom protónov, sa ukázali ako nestabilné v dôsledku skutočnosti, že hmotnosť neutrónu prevyšuje hmotnosť protónu. Zvýšenie hmotnosti jadra vedie k zvýšeniu jeho energie.

Fenomén rádioaktivity objavil v roku 1896 francúzsky fyzik A. Becquerel, ktorý zistil, že uránové soli vyžarujú neznáme žiarenie, ktoré môže preniknúť cez bariéry nepriepustné pre svetlo a spôsobiť sčernenie fotografickej emulzie. O dva roky neskôr francúzski fyzici M. a P. Curieovci objavili rádioaktivitu tória a objavili dva nové rádioaktívne prvky - polónium a rádium

V nasledujúcich rokoch mnoho fyzikov, vrátane E. Rutherforda a jeho študentov, študovalo podstatu rádioaktívneho žiarenia. Zistilo sa, že rádioaktívne jadrá môžu emitovať častice troch typov: kladne a záporne nabité a neutrálne. Tieto tri typy žiarenia sa nazývali α-, β- a γ-žiarenie. Na obr. Obrázok 9.7.1 ukazuje schému experimentu, ktorý umožňuje zistiť komplexné zloženie rádioaktívneho žiarenia. V magnetickom poli sú α- a β-lúče vychyľované v opačných smeroch a β-lúče sú vychýlené oveľa viac. γ-lúče v magnetickom poli nie sú vôbec vychyľované.

Tieto tri typy rádioaktívneho žiarenia sa navzájom veľmi líšia svojou schopnosťou ionizovať atómy hmoty, a teda aj schopnosťou prenikať. Najmenej prenikavú schopnosť má α-žiarenie. Vo vzduchu za normálnych podmienok prechádzajú α-lúče vzdialenosť niekoľkých centimetrov. β-lúče sú oveľa menej absorbované hmotou. Sú schopné prejsť cez vrstvu hliníka hrubú niekoľko milimetrov. Najväčšiu penetračnú schopnosť majú γ-lúče, schopné prejsť cez vrstvu olova hrubú 5–10 cm.

V druhej dekáde 20. storočia, po objave E. Rutherforda o jadrovej štruktúre atómov, bolo pevne stanovené, že rádioaktivita je vlastnosť atómových jadier. Výskum ukázal, že α-lúče predstavujú prúd α-častíc – jadier hélia, β-lúče sú prúd elektrónov, γ-lúče sú krátkovlnné elektromagnetické žiarenie s extrémne krátkou vlnovou dĺžkou λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Alfa rozpad. Alfa rozpad je spontánna premena atómového jadra s počtom protónov Z a neutrónov N na iné (dcérske) jadro obsahujúce počet protónov Z – 2 a neutrónov N – 2. V tomto prípade je emitovaná častica α - tzv. jadro atómu hélia. Príkladom takéhoto procesu je α-rozpad rádia:

Alfa častice emitované jadrami atómov rádia použil Rutherford pri experimentoch s rozptylom jadier ťažkých prvkov. Rýchlosť α-častíc emitovaných počas α-rozpadu jadier rádia, meraná od zakrivenia trajektórie v magnetickom poli, je približne 1,5 10 7 m/s a zodpovedajúca kinetická energia je približne 7,5 10 –13 J ( približne 4,8 MeV). Túto hodnotu možno ľahko určiť zo známych hodnôt hmotností materského a dcérskeho jadra a jadra hélia. Rýchlosť unikajúcej α-častice je síce enormná, ale stále je to len 5% rýchlosti svetla, takže pri výpočte môžete použiť nerelativistický výraz pre kinetickú energiu.

Výskum ukázal, že rádioaktívna látka môže emitovať častice alfa s niekoľkými diskrétnymi energiami. Vysvetľuje to skutočnosť, že jadrá môžu byť, podobne ako atómy, v rôznych excitovaných stavoch. Dcérske jadro môže skončiť v jednom z týchto excitovaných stavov počas rozpadu α. Pri následnom prechode tohto jadra do základného stavu je emitované γ-kvantum. Diagram α-rozpadu rádia s emisiou α-častíc s dvoma hodnotami kinetických energií je znázornený na obr. 9.7.2.

α-rozpad jadier je teda v mnohých prípadoch sprevádzaný γ-žiarením.

V teórii α-rozpadu sa predpokladá, že vo vnútri jadier môžu vzniknúť skupiny pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov, teda α-častice. Materské jadro je pre α-častice potenciálna diera, ktorá je obmedzená potenciálna bariéra. Energia častice α v jadre nie je dostatočná na prekonanie tejto bariéry (obr. 9.7.3). Odchod alfa častice z jadra je možný len vďaka kvantovo mechanickému javu tzv tunelový efekt. Podľa kvantovej mechaniky existuje nenulová pravdepodobnosť prechodu častice pod potenciálnu bariéru. Fenomén tunelovania má pravdepodobnostný charakter.

Beta rozpad. Počas beta rozpadu je elektrón vyvrhnutý z jadra. Elektróny nemôžu existovať vo vnútri jadier (pozri § 9.5), vznikajú pri beta rozpade v dôsledku premeny neutrónu na protón. Tento proces môže prebiehať nielen vo vnútri jadra, ale aj s voľnými neutrónmi. Priemerná životnosť voľného neutrónu je asi 15 minút. Počas rozpadu sa neutrón mení na protón a elektrón

Merania ukázali, že pri tomto procese dochádza k zjavnému porušeniu zákona zachovania energie, keďže celková energia protónu a elektrónu, ktorá je výsledkom rozpadu neutrónu, je menšia ako energia neutrónu. V roku 1931 W. Pauli navrhol, že pri rozpade neutrónu sa uvoľní ďalšia častica s nulovou hmotnosťou a nábojom, ktorá odoberie časť energie. Nová častica je pomenovaná neutrína(malý neutrón). Kvôli nedostatku náboja a hmotnosti neutrína interaguje táto častica s atómami hmoty veľmi slabo, takže je mimoriadne ťažké ju v experimente odhaliť. Ionizačná schopnosť neutrín je taká malá, že jedna ionizačná udalosť vo vzduchu nastane približne 500 km cesty. Táto častica bola objavená až v roku 1953. Dnes je známe, že existuje niekoľko typov neutrín. Pri rozpade neutrónu vzniká častica, ktorá je tzv elektrónové antineutríno. Označuje sa symbolom Preto sa reakcia rozpadu neutrónov píše ako

Podobný proces prebieha vo vnútri jadier počas β-rozpadu. Elektrón vytvorený v dôsledku rozpadu jedného z jadrových neutrónov je okamžite vymrštený z „rodičovského domu“ (jadra) obrovskou rýchlosťou, ktorá sa môže líšiť od rýchlosti svetla len o zlomok percenta. Keďže distribúcia energie uvoľnenej počas β-rozpadu medzi elektrónom, neutrínom a dcérskym jadrom je náhodná, β-elektróny môžu mať rôzne rýchlosti v širokom rozsahu.

Počas β-rozpadu sa nábojové číslo Z zvýši o jednu, ale hmotnostné číslo A zostane nezmenené. Dcérske jadro sa ukáže ako jadro jedného z izotopov prvku, ktorého poradové číslo v periodickej tabuľke je o jedno vyššie ako poradové číslo pôvodného jadra. Typickým príkladom β-rozpadu je premena izotónu tória, ktorý je výsledkom α-rozpadu uránu na paládium.

Gama rozpad. Na rozdiel od α- a β-rádioaktivity nie je γ-rádioaktivita jadier spojená so zmenou vnútornej štruktúry jadra a nie je sprevádzaná zmenou náboja alebo hmotnostného čísla. Počas α- aj β-rozpadu sa dcérske jadro môže ocitnúť v nejakom excitovanom stave a mať prebytok energie. Prechod jadra z excitovaného stavu do základného stavu je sprevádzaný emisiou jedného alebo viacerých γ kvánt, ktorých energia môže dosiahnuť niekoľko MeV.

Zákon rádioaktívneho rozpadu. Každá vzorka rádioaktívnej látky obsahuje obrovské množstvo rádioaktívnych atómov. Keďže rádioaktívny rozpad má náhodný charakter a nezávisí od vonkajších podmienok, zákon poklesu počtu N(t) jadier, ktoré sa do daného času t nerozpadli, môže slúžiť ako dôležitá štatistická charakteristika procesu rádioaktívneho rozpadu.

Nech sa počet nerozpadnutých jadier N(t) zmení o ΔN za krátky čas Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Koeficient úmernosti λ je pravdepodobnosť rozpadu jadra v čase Δt = 1 s. Tento vzorec znamená, že rýchlosť zmeny funkcie N(t) je priamo úmerná samotnej funkcii.

kde N 0 je počiatočný počet rádioaktívnych jadier v čase t = 0. Počas času τ = 1 / λ sa počet nerozpadnutých jadier zníži o e ≈ 2,7-krát. Množstvo τ sa nazýva priemerná doba života rádioaktívne jadro.

Pre praktické použitie je vhodné napísať zákon rádioaktívneho rozpadu v inej forme, pričom ako základ použijeme číslo 2 namiesto e:

Množstvo T sa nazýva polovičný život. Počas času T sa rozpadne polovica pôvodného počtu rádioaktívnych jadier. Veličiny T a τ súvisia vzťahom

Polčas rozpadu je hlavná veličina charakterizujúca rýchlosť rádioaktívneho rozpadu. Čím kratší je polčas rozpadu, tým intenzívnejší je rozpad. Teda pre urán T ≈ 4,5 miliardy rokov a pre rádium T ≈ 1600 rokov. Preto je aktivita rádia oveľa vyššia ako aktivita uránu. Existujú rádioaktívne prvky s polčasom zlomku sekundy.

Nenachádza sa prirodzene a končí v bizmute. Táto séria rádioaktívnych rozpadov sa vyskytuje v jadrové reaktory.

Zaujímavou aplikáciou rádioaktivity je metóda datovania archeologických a geologických nálezov koncentráciou rádioaktívnych izotopov. Najpoužívanejším spôsobom datovania je rádiokarbónové datovanie. V atmosfére sa v dôsledku jadrových reakcií spôsobených kozmickým žiarením objavuje nestabilný izotop uhlíka. Malé percento tohto izotopu sa nachádza vo vzduchu spolu s bežným stabilným izotopom Rastliny a iné organizmy prijímajú uhlík zo vzduchu a akumulujú oba izotopy v rovnakých pomeroch ako vo vzduchu. Po odumretí rastliny prestanú spotrebovávať uhlík a nestabilný izotop sa v dôsledku β-rozpadu postupne mení na dusík s polčasom rozpadu 5730 rokov. Presným meraním relatívnej koncentrácie rádioaktívneho uhlíka v pozostatkoch dávnych organizmov možno určiť čas ich smrti.

Rádioaktívne žiarenie všetkých typov (alfa, beta, gama, neutróny), ako aj elektromagnetické žiarenie (röntgenové žiarenie) má na živé organizmy veľmi silný biologický účinok, ktorý spočíva v procesoch excitácie a ionizácie atómov a molekúl, ktoré tvoria do živých buniek. Vplyvom ionizujúceho žiarenia dochádza k deštrukcii zložitých molekúl a bunkových štruktúr, čo vedie k radiačnému poškodeniu organizmu. Preto pri práci s akýmkoľvek zdrojom žiarenia je potrebné prijať všetky opatrenia na ochranu osôb, ktoré môžu byť vystavené žiareniu.

Človek však môže byť vystavený ionizujúcemu žiareniu aj doma. Inertný, bezfarebný rádioaktívny plyn radón môže predstavovať vážne nebezpečenstvo pre ľudské zdravie.Ako je zrejmé z diagramu na obr. 9.7.5 je radón produktom α-rozpadu rádia a má polčas rozpadu T = 3,82 dňa. Rádium sa v malom množstve nachádza v pôde, kameňoch a rôznych stavebných štruktúrach. Napriek relatívne krátkej životnosti sa koncentrácia radónu v dôsledku nových rozpadov jadier rádia priebežne dopĺňa, takže radón sa môže hromadiť v uzavretých priestoroch. Keď sa radón dostane do pľúc, uvoľňuje α-častice a mení sa na polónium, ktoré nie je chemicky inertnou látkou. Nasleduje reťazec rádioaktívnych premien uránového radu (obr. 9.7.5). Podľa Americkej komisie pre bezpečnosť a kontrolu žiarenia dostáva priemerný človek 55 % ionizujúceho žiarenia z radónu a len 11 % z lekárskej starostlivosti. Príspevok kozmického žiarenia je približne 8%. Celková dávka žiarenia, ktorú človek počas života dostane, je mnohonásobne menšia maximálna prípustná dávka(SDA), ktorý je zriadený pre ľudí v určitých profesiách, ktorí sú vystavení dodatočnému vystaveniu ionizujúcemu žiareniu.

Štiepenie jadier uránu objavili v roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann. Podarilo sa im zistiť, že pri bombardovaní jadier uránu neutrónmi vznikajú prvky strednej časti periodickej tabuľky: bárium, kryptón atď. Správnu interpretáciu tejto skutočnosti podali rakúsky fyzik L. Meitner a angl. fyzik O. Frisch. Vzhľad týchto prvkov vysvetlili rozpadom jadier uránu, ktoré zachytili neutrón na dve približne rovnaké časti. Tento jav sa nazýva jadrové štiepenie a výsledné jadrá sa nazývajú štiepne fragmenty.

pozri tiež

Vasiliev A. Štiepenie uránu: od Klaproth po Hahn // Quantum. - 2001. - č. 4. - S. 20-21,30.

Kvapôčkový model jadra

Túto štiepnu reakciu možno vysvetliť na základe kvapôčkového modelu jadra. V tomto modeli sa jadro považuje za kvapku elektricky nabitej nestlačiteľnej tekutiny. Okrem jadrových síl pôsobiacich medzi všetkými nukleónmi jadra zažívajú protóny ďalšie elektrostatické odpudzovanie, v dôsledku čoho sa nachádzajú na periférii jadra. V neexcitovanom stave sú sily elektrostatického odpudzovania kompenzované, takže jadro má sférický tvar (obr. 1, a).

Potom, čo jadro \(~^(235)_(92)U\) zachytí neutrón, sa vytvorí medziľahlé jadro \(~(^(236)_(92)U)^*\), ktoré je v excitovanom štát. V tomto prípade je energia neutrónov rovnomerne rozložená medzi všetky nukleóny a samotné stredné jadro sa deformuje a začína vibrovať. Ak je excitácia malá, potom jadro (obr. 1, b), oslobodzujúce sa od prebytočnej energie vyžarovaním γ -kvantový alebo neutrónový, vracia sa do stabilného stavu. Ak je excitačná energia dostatočne vysoká, potom môže byť deformácia jadra pri vibráciách taká veľká, že sa v ňom vytvorí pás (obr. 1, c), podobný pásu medzi dvoma časťami rozdvojenej kvapky kvapaliny. Jadrové sily pôsobiace v úzkom páse už nedokážu odolať výraznej coulombovskej sile odpudzovania častí jadra. Pás sa zlomí a jadro sa rozpadne na dva „úlomky“ (obr. 1, d), ktoré odlietajú v opačných smeroch.

uran.swf Flash: Uranium fission Zväčšiť Flash Obr. 2.

V súčasnosti je známych asi 100 rôznych izotopov s hmotnostnými číslami od asi 90 do 145, ktoré sú výsledkom štiepenia tohto jadra. Dve typické štiepne reakcie tohto jadra sú:

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

Pri štiepení jadier ťažkých atómov (\(~^(235)_(92)U\)) sa uvoľňuje veľmi veľká energia - asi 200 MeV počas štiepenia každého jadra. Asi 80 % tejto energie sa uvoľní ako kinetická energia úlomkov; zvyšných 20 % pochádza z energie rádioaktívneho žiarenia z fragmentov a kinetickej energie rýchlych neutrónov.

Odhad energie uvoľnenej počas jadrového štiepenia možno urobiť pomocou špecifickej väzbovej energie nukleónov v jadre. Špecifická väzbová energia nukleónov v jadrách s hmotnostným číslom A≈ 240 rádovo 7,6 MeV/nukleón, zatiaľ čo v jadrách s hmotnostnými číslami A= 90 – 145 špecifická energia je približne 8,5 MeV/nukleón. V dôsledku toho štiepenie jadra uránu uvoľňuje energiu rádovo 0,9 MeV/nukleón alebo približne 210 MeV na atóm uránu. Úplným štiepením všetkých jadier obsiahnutých v 1 g uránu sa uvoľní rovnaká energia ako pri spaľovaní 3 ton uhlia alebo 2,5 tony ropy.

pozri tiež

Varlamov A.A. Kvapkový model jadra //Quantum. - 1986. - Číslo 5. - S. 23-24

Reťazová reakcia

Reťazová reakcia- jadrová reakcia, pri ktorej vznikajú častice spôsobujúce reakciu ako produkty tejto reakcie.

reakcia.swf Flash: reťazová reakcia Zväčšiť Flash Obr. 4.

Urán sa v prírode vyskytuje vo forme dvoch izotopov \[~^(238)_(92)U\] (99,3%) a \(~^(235)_(92)U\) (0,7%). Pri bombardovaní neutrónmi sa jadrá oboch izotopov môžu rozdeliť na dva fragmenty. V tomto prípade prebieha štiepna reakcia \(~^(235)_(92)U\) najintenzívnejšie s pomalými (tepelnými) neutrónmi, zatiaľ čo jadrá \(~^(238)_(92)U\) reagujú štiepením len s rýchlymi neutrónmi s energiami rádovo 1 MeV. V opačnom prípade sa excitačná energia výsledných jadier \(~^(239)_(92)U\) ukáže ako nedostatočná na štiepenie a potom namiesto štiepenia nastanú jadrové reakcie:

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

Izotop uránu \(~^(238)_(92)U\) β -rádioaktívne, polčas rozpadu 23 minút. Izotop neptúnia \(~^(239)_(93)Np\) je tiež rádioaktívny, s polčasom rozpadu približne 2 dni.

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

Izotop plutónia \(~^(239)_(94)Np\) je relatívne stabilný, s polčasom rozpadu 24 000 rokov. Najdôležitejšou vlastnosťou plutónia je, že je pod vplyvom neutrónov štiepne rovnakým spôsobom ako \(~^(235)_(92)U\). Preto je možné pomocou \(~^(239)_(94)Np\) uskutočniť reťazovú reakciu.

Vyššie diskutovaný diagram reťazovej reakcie predstavuje ideálny prípad. V reálnych podmienkach sa nie všetky neutróny vznikajúce pri štiepení podieľajú na štiepení iných jadier. Niektoré z nich zachytia neštiepne jadrá cudzích atómov, iné vyletia z uránu (únik neutrónov).

Preto reťazová reakcia štiepenia ťažkých jadier nenastáva vždy a nie pre akúkoľvek hmotnosť uránu.

Neutrónový multiplikačný faktor

Vývoj reťazovej reakcie je charakterizovaný takzvaným multiplikačným faktorom neutrónov TO, ktorý sa meria pomerom čísla N i neutróny spôsobujúce štiepenie jadier látky v jednom zo štádií reakcie, na počet N i-1 neutróny, ktoré spôsobili štiepenie v predchádzajúcej fáze reakcie:

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

Multiplikačný koeficient závisí od viacerých faktorov, najmä od povahy a množstva štiepnej látky a od geometrického tvaru objemu, ktorý zaberá. Rovnaké množstvo danej látky má rôzne významy TO. TO maximálne, ak má látka guľový tvar, pretože v tomto prípade bude strata rýchlych neutrónov cez povrch minimálna.

Hmotnosť štiepneho materiálu, v ktorom prebieha reťazová reakcia s multiplikačným faktorom TO= 1 sa nazýva kritická hmotnosť. V malých kúskoch uránu väčšina neutrónov vyletí von bez toho, aby zasiahli akékoľvek jadro.

Hodnota kritickej hmotnosti je určená geometriou fyzikálneho systému, jeho štruktúrou a vonkajším prostredím. Pre guľu čistého uránu \(~^(235)_(92)U\) je teda kritická hmotnosť 47 kg (guľa s priemerom 17 cm). Kritické množstvo uránu sa dá mnohonásobne znížiť použitím takzvaných moderátorov neutrónov. Faktom je, že neutróny vznikajúce pri rozpade jadier uránu majú príliš vysoké rýchlosti a pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov jadrami uránu-235 je stokrát väčšia ako pri rýchlych. Najlepším moderátorom neutrónov je ťažká voda D 2 O. Pri interakcii s neutrónmi sa obyčajná voda sama mení na ťažkú vodu.

Dobrým moderátorom je aj grafit, ktorého jadrá neabsorbujú neutróny. Počas elastickej interakcie s jadrami deutéria alebo uhlíka sa neutróny spomalia na tepelnú rýchlosť.

Použitie neutrónových moderátorov a špeciálneho berýliového obalu, ktorý odráža neutróny, umožňuje znížiť kritickú hmotnosť na 250 g.

Pri rýchlosti násobenia TO= 1 počet štiepnych jadier sa udržiava na konštantnej úrovni. Tento režim sa poskytuje v jadrových reaktoroch.

Ak je hmotnosť jadrového paliva menšia ako kritická hmotnosť, potom multiplikačný faktor TO < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Ak je hmotnosť jadrového paliva väčšia ako kritická hmotnosť, potom multiplikačný faktor TO> 1 a každá nová generácia neutrónov spôsobuje rastúci počet štiepení. Reťazová reakcia rastie ako lavína a má charakter výbuchu, sprevádzaného obrovským uvoľnením energie a zvýšením teploty okolia na niekoľko miliónov stupňov. Tento druh reťazovej reakcie nastáva pri výbuchu atómovej bomby.

Atómová bomba

V normálnom stave jadrová bomba nevybuchne, pretože jadrový náboj v nej je rozdelený na niekoľko malých častí prepážkami, ktoré pohlcujú produkty rozpadu uránu – neutróny. Jadrová reťazová reakcia, ktorá spôsobí jadrový výbuch, sa za takýchto podmienok nedá udržať. Ak sa však fragmenty jadrového náboja spoja, ich celková hmotnosť bude dostatočná na to, aby sa začala rozvíjať reťazová reakcia štiepenia uránu. Výsledkom je jadrový výbuch. Navyše, sila výbuchu vyvinutá relatívne malou jadrovou bombou je ekvivalentná sile uvoľnenej počas výbuchu miliónov a miliárd ton TNT.

Ryža. 5. Atómová bomba

Štúdium interakcie neutrónov s hmotou viedlo k objavu nového typu jadrových reakcií. V roku 1939 O. Hahn a F. Strassmann skúmali chemické produkty vznikajúce pri bombardovaní jadier uránu neutrónmi. Medzi reakčnými produktmi bolo objavené bárium, chemický prvok s hmotnosťou oveľa menšou ako hmotnosť uránu. Problém vyriešili nemeckí fyzici L. Meitner a O. Frisch, ktorí ukázali, že keď sú neutróny absorbované uránom, jadro sa rozdelí na dva fragmenty:

Kde k > 1.

Pri štiepení jadra uránu tepelný neutrón s energiou ~0,1 eV uvoľní energiu ~200 MeV. Podstatné je, že tento proces je sprevádzaný objavením sa neutrónov schopných spôsobiť štiepenie iných jadier uránu - štiepna reťazová reakcia . Z jedného neutrónu teda môže vzniknúť rozvetvený reťazec jadrových štiepení a počet jadier zúčastňujúcich sa štiepnej reakcie sa exponenciálne zvýši. Vyhliadky na využitie štiepnej reťazovej reakcie sa otvorili v dvoch smeroch:

· riadená jadrová štiepna reakcia– vytvorenie jadrových reaktorov;

· bežná jadrová štiepna reakcia- výroba jadrových zbraní.

V roku 1942 bol v USA postavený prvý jadrový reaktor. V ZSSR bol prvý reaktor spustený v roku 1946. V súčasnosti sa tepelná a elektrická energia vyrába v stovkách jadrových reaktorov prevádzkovaných v rôznych krajinách sveta.

Ako je možné vidieť z obr. 4.2 s rastúcou hodnotou Ašpecifická väzbová energia sa zvyšuje až na A» 50. Toto správanie možno vysvetliť kombináciou síl; Väzbová energia jednotlivého nukleónu sa zvyšuje, ak ho nepriťahuje jeden alebo dva, ale niekoľko ďalších nukleónov. Avšak v prvkoch s hodnotami hmotnostného čísla vyššie A» 50 špecifická väzbová energia postupne klesá s rastúcim A. Je to spôsobené tým, že jadrové príťažlivé sily sú krátkeho dosahu, s polomerom pôsobenia rádovo veľkosti jednotlivého nukleónu. Mimo tohto polomeru prevládajú elektrostatické odpudzujúce sily. Ak sú dva protóny od seba vzdialené viac ako 2,5 × 10 - 15 m, potom medzi nimi prevládajú sily Coulombovho odpudzovania a nie jadrovej príťažlivosti.

Dôsledkom tohto správania je špecifická väzbová energia v závislosti od A je existencia dvoch procesov - jadrová fúzia a štiepenie . Uvažujme o interakcii elektrónu a protónu. Keď sa vytvorí atóm vodíka, uvoľní sa energia 13,6 eV a hmotnosť atómu vodíka je o 13,6 eV menšia ako súčet hmotností voľného elektrónu a protónu. Podobne hmotnosť dvoch ľahkých jadier prevyšuje hmotnosť po ich kombinácii na D M. Ak ich spojíte, spoja sa a uvoľnia energiu D pani 2. Tento proces sa nazýva jadrovej fúzie . Hmotnostný rozdiel môže presiahnuť 0,5 %.

Ak sa ťažké jadro rozdelí na dve ľahšie jadrá, ich hmotnosť bude o 0,1 % menšia ako hmotnosť materského jadra. Ťažké jadrá majú tendenciu divízie na dve ľahšie jadrá s uvoľnením energie. Energia atómovej bomby a jadrového reaktora predstavuje energiu , uvoľnené počas jadrového štiepenia . Energia vodíkovej bomby je energia uvoľnená pri jadrovej fúzii. Alfa rozpad možno považovať za vysoko asymetrické štiepenie, v ktorom je materské jadro M sa rozdelí na malú alfa časticu a veľké zvyškové jadro. Alfa rozpad je možný iba v prípade reakcie

hmotnosť M sa ukáže byť väčší ako súčet hmotností a častice alfa. Všetky jadrá s Z> 82 (olovo) .At Z> 92 (urán) polčasy rozpadu alfa sú podstatne dlhšie ako vek Zeme a takéto prvky sa v prírode nevyskytujú. Môžu však byť vytvorené umelo. Napríklad plutónium ( Z= 94) možno získať z uránu v jadrovom reaktore. Tento postup sa stal bežným a stojí len 15 dolárov za 1 g. Doteraz bolo možné získať prvky až do Z= 118, avšak za oveľa vyššiu cenu a spravidla v zanedbateľných množstvách. Možno dúfať, že rádiochemici sa naučia získavať, aj keď v malom množstve, nové prvky z Z> 118.

Ak by sa masívne jadro uránu dalo rozdeliť na dve skupiny nukleónov, potom by sa tieto skupiny nukleónov preskupili na jadrá so silnejšou väzbou. Počas procesu reštrukturalizácie by sa uvoľnila energia. Spontánne jadrové štiepenie je povolené zákonom o zachovaní energie. Potenciálna bariéra štiepnych reakcií v prirodzene sa vyskytujúcich jadrách je však taká vysoká, že pravdepodobnosť spontánneho štiepenia je oveľa menšia ako pravdepodobnosť rozpadu alfa. Polčas rozpadu jadier 238 U v porovnaní so spontánnym štiepením je 8×1015 rokov. To je viac ako miliónkrát vek Zeme. Ak sa neutrón zrazí s ťažkým jadrom, môže sa presunúť na vyššiu energetickú hladinu blízko vrcholu elektrostatickej potenciálovej bariéry, čo má za následok zvýšenú pravdepodobnosť štiepenia. Jadro v excitovanom stave môže mať výrazný uhlový moment a získať oválny tvar. Oblasti na periférii jadra prenikajú bariérou ľahšie, pretože sú čiastočne už za bariérou. Pre jadro oválneho tvaru je úloha bariéry ďalej oslabená. Keď sa zachytí jadro alebo pomalý neutrón, vytvárajú sa stavy s veľmi krátkou životnosťou v porovnaní so štiepením. Rozdiel v hmotnosti medzi jadrom uránu a typickými produktmi štiepenia je taký, že v priemere sa pri štiepení uránu uvoľňuje energia 200 MeV. Zvyšná hmotnosť jadra uránu je 2,2×105 MeV. Asi 0,1 % tejto hmoty sa premení na energiu, čo sa rovná pomeru 200 MeV k hodnote 2,2 × 10 5 MeV.

Energetické hodnotenie,prepustený delením,možno získať z Weizsäckerove vzorce :

Keď sa jadro rozdelí na dva fragmenty, zmení sa povrchová energia a Coulombova energia a povrchová energia sa zvyšuje a Coulombova energia klesá. Štiepenie je možné, keď sa pri štiepení uvoľní energia E > 0.

Tu A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Z toho získame, že štiepenie je energeticky priaznivé, keď Z 2 /A> 17. Veľkosť Z 2 /A volal parameter deliteľnosti . Energia E, uvoľnený pri delení, sa zvyšuje so zvyšovaním Z 2 /A.

Počas procesu delenia jadro mení tvar - postupne prechádza nasledujúcimi štádiami (obr. 9.4): guľa, elipsoid, činka, dva úlomky hruškovitého tvaru, dva guľovité úlomky.

Potom, čo došlo k štiepeniu a fragmenty sú umiestnené od seba vo vzdialenosti oveľa väčšej, ako je ich polomer, možno potenciálnu energiu fragmentov, určenú coulombovskou interakciou medzi nimi, považovať za rovnú nule.

V dôsledku vývoja tvaru jadra je zmena jeho potenciálnej energie určená zmenou súčtu povrchových a Coulombových energií. . Predpokladá sa, že objem jadra zostáva počas deformácie nezmenený. V tomto prípade sa povrchová energia zvyšuje so zvyšujúcou sa plochou jadra. Coulombova energia klesá so zvyšujúcou sa priemernou vzdialenosťou medzi nukleónmi. V prípade malých elipsoidných deformácií nastáva nárast povrchovej energie rýchlejšie ako pokles Coulombovej energie.

V oblasti ťažkých jadier sa súčet povrchových a Coulombových energií zvyšuje so zvyšujúcou sa deformáciou. Pri malých elipsoidných deformáciách bráni nárast povrchovej energie ďalším zmenám tvaru jadra a následne štiepeniu. Prítomnosť potenciálnej bariéry bráni okamžitému spontánnemu štiepeniu jadier. Aby sa jadro okamžite rozdelilo, musí mu dodať energiu presahujúcu výšku štiepnej bariéry N.

Výška bariéry Nčím menší je pomer Coulombovej a povrchovej energie v počiatočnom jadre, tým väčší. Tento pomer sa naopak zvyšuje so zvyšujúcim sa parametrom deliteľnosti Z 2 /A.Čím je jadro ťažšie, tým je výška bariéry nižšia N, pretože parameter štiepiteľnosti sa zvyšuje so zvyšujúcim sa hmotnostným číslom:

Ťažšie jadrá vo všeobecnosti potrebujú dodať menej energie, aby spôsobili štiepenie. Z Weizsäckerovho vzorca vyplýva, že výška štiepnej bariéry mizne pri . Tie. Podľa kvapôčkového modelu by jadrá nemali v prírode chýbať, pretože sa spontánne štiepia takmer okamžite (v charakteristickom jadrovom čase rádovo 10–22 s). Existencia atómových jadier s (" ostrov stability “) sa vysvetľuje štruktúrou obalu atómových jadier. Spontánne štiepenie jadier s , pre ktoré je výška bariéry N nerovná sa nule, z pohľadu klasickej fyziky je to nemožné. Z hľadiska kvantovej mechaniky je takéto delenie možné v dôsledku prechodu fragmentov cez potenciálnu bariéru a je tzv. spontánne štiepenie . Pravdepodobnosť samovoľného štiepenia sa zvyšuje so zvyšujúcim sa parametrom štiepiteľnosti, t.j. s klesajúcou výškou štiepnej bariéry.

Nútené štiepenie jadier s môžu byť spôsobené akýmikoľvek časticami: fotónmi, neutrónmi, protónmi, deuterónmi, α-časticami atď., ak energia, ktorú prispievajú k jadru, je dostatočná na prekonanie štiepnej bariéry.

Hmotnosti úlomkov vytvorených počas štiepenia tepelnými neutrónmi nie sú rovnaké. Jadro má tendenciu sa štiepiť tak, že hlavná časť nukleónov fragmentu tvorí stabilné magické jadro. Na obr. Obrázok 9.5 ukazuje rozdelenie hmoty počas delenia. Najpravdepodobnejšia kombinácia hmotnostných čísel je 95 a 139.

Pomer počtu neutrónov k počtu protónov v jadre je 1,55, zatiaľ čo pre stabilné prvky s hmotnosťou blízkou hmotnosti štiepnych fragmentov je tento pomer 1,25 - 1,45. V dôsledku toho sú štiepne fragmenty silne preťažené neutrónmi a sú nestabilné voči β-rozpadu – sú rádioaktívne.

V dôsledku štiepenia sa uvoľňuje energia ~ 200 MeV. Asi 80 % z toho pochádza z energie úlomkov. Počas jedného štiepneho aktu vznikajú viac ako dva štiepne neutróny s priemernou energiou ~2 MeV.

1 g akejkoľvek látky obsahuje . Štiepenie 1 g uránu je sprevádzané uvoľnením ~ 9 × 10 10 J. To je takmer 3 milióny krát viac ako energia spálenia 1 g uhlia (2,9 × 10 4 J). Samozrejme, 1 g uránu je oveľa drahší ako 1 g uhlia, ale náklady na 1 J energie získanej spaľovaním uhlia sú 400-krát vyššie ako v prípade uránového paliva. Výroba 1 kWh energie stála 1,7 centa v uhoľných elektrárňach a 1,05 centu v jadrových elektrárňach.

Vďaka reťazová reakcia je možné uskutočniť proces jadrového štiepenia sebestačný . Pri každom štiepení sa uvoľnia 2 alebo 3 neutróny (obr. 9.6). Ak sa jednému z týchto neutrónov podarí spôsobiť štiepenie iného jadra uránu, potom bude proces sebestačný.

Súbor štiepnych látok, ktorý spĺňa túto požiadavku, sa nazýva kritické zhromaždenie . Prvé takéto zhromaždenie, tzv nukleárny reaktor , bola postavená v roku 1942 pod vedením Enrica Fermiho na pôde Chicagskej univerzity. Prvý jadrový reaktor bol spustený v roku 1946 pod vedením I. Kurčatova v Moskve. Prvá jadrová elektráreň s výkonom 5 MW bola spustená v ZSSR v roku 1954 v Obninsku (obr. 9.7).

omša a môžete tiež urobiť nadkritické . V tomto prípade neutróny generované počas štiepenia spôsobia niekoľko sekundárnych štiepení. Pretože neutróny sa pohybujú rýchlosťou presahujúcou 10 8 cm/s, nadkritická zostava môže úplne reagovať (alebo sa rozletieť) za menej ako tisícinu sekundy. Takéto zariadenie je tzv atómová bomba . Jadrový náboj vyrobený z plutónia alebo uránu sa prenesie do superkritického stavu, zvyčajne pomocou výbuchu. Podkritická hmota je obklopená chemickými výbušninami. Keď exploduje, hmota plutónia alebo uránu sa okamžite stlačí. Keďže hustota gule sa výrazne zvyšuje, rýchlosť absorpcie neutrónov sa ukazuje byť vyššia ako rýchlosť straty neutrónov v dôsledku ich úniku von. Toto je podmienka superkritickosti.

Na obr. Obrázok 9.8 znázorňuje schému atómovej bomby Little Boy zhodenej na Hirošimu. Jadrová výbušnina v bombe bola rozdelená na dve časti, ktorých hmotnosť bola menšia ako kritická hmotnosť. Kritická hmotnosť potrebná na výbuch bola vytvorená spojením oboch častí „gunovou metódou“ pomocou konvenčných trhavín.

Výbuch 1 tony trinitrotoluénu (TNT) uvoľní 10 9 cal alebo 4 × 10 9 J. Výbuch atómovej bomby, ktorá spotrebuje 1 kg plutónia, uvoľní asi 8 × 10 13 J energie.

Alebo je to takmer 20 000-krát viac ako výbuch 1 tony TNT. Takáto bomba sa nazýva 20-kilotonová bomba. Moderné megatonové bomby sú miliónkrát silnejšie ako bežné výbušniny TNT.

Výroba plutónia je založená na ožiarení 238 U neutrónmi, čo vedie k vytvoreniu izotopu 239 U, ktorý sa v dôsledku beta rozpadu zmení na 239 Np a potom po ďalšom beta rozpade na 239 Pu. Keď je nízkoenergetický neutrón absorbovaný, oba izotopy 235 U a 239 Pu podliehajú štiepeniu. Štiepne produkty sa vyznačujú silnejšou väzbou (~1 MeV na nukleón), vďaka čomu sa v dôsledku štiepenia uvoľní približne 200 MeV energie.

Každý spotrebovaný gram plutónia alebo uránu vyprodukuje takmer gram rádioaktívnych štiepnych produktov, ktoré majú obrovskú rádioaktivitu.

Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz:

Páčil sa vám článok? Zdieľaj to

Vytlačte si tento článok