Branduolio dalijimosi reakcijos.

Branduolių transformacija sąveikaujant su elementariosiomis dalelėmis arba tarpusavyje vadinama branduolinėmis reakcijomis. Branduolinės reakcijos yra pagrindinis branduolių sandaros ir jų savybių tyrimo metodas. Branduolinės reakcijos paklūsta išsaugojimo dėsniams: elektros krūvis, bariono krūvis, leptono krūvis, energija, impulsas Pavyzdžiui, bariono krūvio išsaugojimo dėsnis susiveda į tai, kad bendras nukleonų skaičius nesikeičia dėl branduolinės reakcijos.

Branduolinės reakcijos gali įvykti išskiriant arba absorbuojant energiją K, kuri yra 10 6 kartus didesnė už cheminių reakcijų energiją. Jeigu K Išsiskiria > 0 energijos (egzoterminė reakcija). Pavyzdžiui,

At K < 0 – поглощение энергии (endoterminė reakcija). Pavyzdžiui,

Apibūdinamos branduolinės reakcijos efektyvus reakcijos skerspjūvis(jei branduolio spindulys didesnis už dalelės de Broglie bangos ilgį).

Branduolinės reakcijos išeiga W– branduolinės reakcijos įvykių skaičiaus santykis D N pagal dalelių skaičių N, krentantys 1 cm 2 taikiniai, t.y.

,

Kur n– branduolių koncentracija.

Daugelis branduolinių reakcijų esant žemai energijai pereina formavimosi stadiją sudėtinis branduolys. Taigi, kad neutronas praskrietų per branduolį 10 7 m/s greičiu, reikalingas laikas t = 10 –22 s. Reakcijos laikas yra 10 - 16 -10 - 12 s arba (10 6 -10 10)t. Tai reiškia, kad tarp branduolyje esančių nukleonų įvyks daug susidūrimų ir susidarys tarpinė būsena – sudėtinis branduolys. Būdingasis laikas t naudojamas analizuojant branduolyje vykstančius procesus.

Mažėjant neutronų greičiui, didėja jo sąveikos su branduoliu laikas ir tikimybė, kad branduolys jį suims, nes efektyvusis skerspjūvis yra atvirkščiai proporcingas dalelių greičiui (). Jei bendra neutrono ir pradinio branduolio energija yra tame regione, kuriame yra junginio branduolio energetinės juostos, tai ypač didelė tikimybė, kad susidarys junginio branduolio kvazistacionarus energijos lygis. Branduolinių reakcijų skerspjūvis, esant tokiai dalelių energijai, smarkiai padidėja, formuojant rezonanso maksimumus. Tokiais atvejais vadinamos branduolinės reakcijos rezonansinis. Rezonanso skerspjūvis šiluminiam (lėtam) neutronų gaudymui ( kT» 0,025 eV) gali būti ~10 6 kartus didesnis už geometrinį branduolio skerspjūvį

Užfiksavus dalelę, junginio branduolys yra sužadintas ~10 - 14 s, tada išskiria dalelę. Galimi keli junginio branduolio radioaktyvaus skilimo kanalai. Galimas ir konkuruojantis procesas – radiacinis gaudymas, kai branduoliui užfiksavus dalelę, ji pereina į sužadinimo būseną, tada, išskyrusi g kvantą, pereina į pagrindinę būseną. Tai taip pat gali sudaryti sudėtinį branduolį.

Kulono atstūmimo jėgos tarp teigiamai įkrautų branduolio dalelių (protonų) neskatina, o stabdo šių dalelių išėjimą iš branduolio. Taip yra dėl įtakos išcentrinis barjeras. Tai paaiškinama tuo, kad atstumiančios jėgos atitinka teigiamą energiją. Tai padidina Kulono potencialo barjero aukštį ir plotį. Teigiamo krūvio dalelės išėjimas iš branduolio yra pobarjerinis procesas. Kuo didesnis ir platesnis potencialus barjeras, tuo mažesnė tikimybė. Tai ypač svarbu vidutiniams ir sunkiems branduoliams.

Pavyzdžiui, urano izotopo branduolys, užfiksavęs neutroną, sudaro sudėtinį branduolį, kuris vėliau skyla į dvi dalis. Kulono atstumiamųjų jėgų įtakoje šios dalys skrenda viena nuo kitos su didele ~200 MeV kinetine energija, kadangi šiuo atveju elektrinės jėgos viršija branduolines traukos jėgas. Šiuo atveju fragmentai yra radioaktyvūs ir yra sužadintos. Pereinant į pagrindinę būseną, jie išskiria greitus ir uždelstus neutronus, taip pat g-kvantus ir kitas daleles. Išspinduliuoti neutronai vadinami antriniais.

Iš visų dalijimosi metu išsiskiriančių branduolių ~99% neutronų išsiskiria akimirksniu, o uždelstų neutronų dalis yra ~0,75%. Nepaisant to, uždelsti neutronai naudojami branduolinėje energetikoje, nes tai leidžia kontroliuojamos branduolinės reakcijos. Labiausiai tikėtina, kad uranas suskils į fragmentus, kurių vienas yra maždaug pusantro karto sunkesnis už kitą. Tai paaiškinama branduolinių neutronų apvalkalų įtaka, nes energetiškai palankiau branduoliui skilti taip, kad neutronų skaičius kiekviename fragmente būtų artimas vienam iš magiškų skaičių – 50 arba 82. Tokie fragmentai gali būti, pvz. Pavyzdžiui, branduoliai ir.

Skirtumas tarp didžiausios potencialios energijos vertės E r(r) ir jo reikšmė at stabiliems branduoliams vadinama aktyvacijos energija. Todėl branduolio dalijimuisi būtina suteikti jam energiją, ne mažesnę nei aktyvavimo energija. Šią energiją atneša neutronai, kuriuos absorbuojant susidaro sužadinti junginių branduoliai.

Tyrimai parodė, kad izotopų branduoliai dalijasi po to, kai užfiksuoja bet kokius neutronus, įskaitant šiluminius. Urano izotopui dalytis reikalingi greitieji neutronai, kurių energija didesnė nei 1 MeV. Šis branduolių elgsenos skirtumas yra susijęs su nukleonų poravimosi poveikiu.

Savaiminis radioaktyviųjų branduolių dalijimasis galimas ir nesant išorinio sužadinimo, kas buvo pastebėta 1940 m. Šiuo atveju branduolio dalijimasis gali įvykti dalijimosi produktams nutekėjus per potencialų barjerą dėl tunelio efekto. Kitas būdingas branduolinių reakcijų, vykstančių per junginio branduolį tam tikromis sąlygomis, bruožas yra sklaidos dalelių, susidarančių junginio branduolio irimo metu, kampinio pasiskirstymo simetrija masės centre.

Taip pat galimos tiesioginės branduolinės reakcijos, pvz.

kuris naudojamas neutronams gaminti.

Dalijantis sunkiajam branduoliui, kiekvienam dalijamajam branduoliui išsiskiria vidutiniškai ~200 MeV energijos, kuri vadinama branduolinė ar atominė energija. Ši energija gaminama branduoliniuose reaktoriuose.

Gamtiniame urane yra 99,3% izotopų ir 0,7% izotopų, tai yra branduolinis kuras. Urano ir torio izotopai yra žaliavos, iš kurių dirbtinai gaminami izotopai ir izotopai, kurie taip pat yra branduolinis kuras ir gamtoje neaptinkami natūralios būklės. Reakcijoje gaunamas, pavyzdžiui, plutonio izotopas

Reakcijoje gaunamas, pavyzdžiui, urano izotopas

Kur reiškia reakciją

.
Branduolinius izotopus dalijasi tik greitieji neutronai, kurių energija > 1 MeV.

Svarbus dydis, apibūdinantis skiliąjį branduolį, yra vidutinis antrinių neutronų skaičius branduolio dalijimosi grandininės reakcijos įgyvendinimas turi būti bent 1 atomo branduolys Tokiose atomų branduolių reakcijose susidaro neutronai.

Grandininė reakcija praktiškai vykdoma prisodrintu uranu branduoliniai reaktoriai. Prisodrintame urane urano izotopų kiekis padidinamas iki 2–5 % atskyrus izotopus. Tūris, kurį užima skilioji medžiaga, vadinamas šerdis reaktorius. Gamtiniam uranui – terminis neutronų dauginimo koeficientas k=1,32. Norint sumažinti greitųjų neutronų greitį iki šiluminių, naudojami moderatoriai (grafitas, vanduo, berilis ir kt.).

Priklausomai nuo jų paskirties ir galios, yra įvairių branduolinių reaktorių tipų. Pavyzdžiui, eksperimentiniai reaktoriai naujiems transurano elementams gaminti ir kt.

Šiuo metu naudojama branduolinė energija reaktyviniai reaktoriai (išskyros reaktoriai), kurioje vyksta ne tik energijos gamyba, bet ir plečiamas skiliųjų medžiagų dauginimasis. Jie naudoja prisodrintą uraną, kuriame yra gana daug (iki 30%) urano izotopo.

Tokie reaktoriai yra veisėjai naudojama energijai gaminti atominėse elektrinėse. Pagrindinis atominių elektrinių trūkumas yra radioaktyviųjų atliekų kaupimasis. Tačiau, lyginant su anglimi kūrenamomis elektrinėmis, atominės elektrinės yra draugiškesnės aplinkai.

Branduolio dalijimasis- atomo branduolio padalijimo į du (rečiau tris) panašios masės branduolius, vadinamus dalijimosi fragmentais, procesas. Dėl dalijimosi gali atsirasti ir kitų reakcijos produktų: lengvųjų branduolių (daugiausia alfa dalelių), neutronų ir gama kvantų. Skilimas gali būti spontaniškas (spontaniškas) ir priverstinis (dėl sąveikos su kitomis dalelėmis, pirmiausia neutronais). Sunkiųjų branduolių dalijimasis yra egzoterminis procesas, dėl kurio išsiskiria didelis kiekis energijos reakcijos produktų kinetinės energijos, taip pat spinduliuotės pavidalu. Branduolio dalijimasis naudojamas kaip energijos šaltinis branduoliniuose reaktoriuose ir branduoliniuose ginkluose. Skilimo procesas gali vykti tik tada, kai dalijimosi branduolio pradinės būsenos potenciali energija viršija dalijimosi fragmentų masių sumą. Kadangi sunkiųjų branduolių specifinė surišimo energija mažėja didėjant jų masei, ši sąlyga tenkinama beveik visiems branduoliams, kurių masės skaičius .

Tačiau, kaip rodo patirtis, net ir sunkiausi branduoliai spontaniškai dalijasi su labai maža tikimybe. Tai reiškia, kad yra energijos barjeras ( dalijimosi barjeras), užkertamas kelias dalijimui. Branduolio dalijimosi procesui apibūdinti, įskaitant dalijimosi barjero apskaičiavimą, naudojami keli modeliai, tačiau nė vienas iš jų negali visiškai paaiškinti proceso.

Tai, kad dalijantis sunkiųjų branduolių energija išsiskiria, tiesiogiai išplaukia iš specifinės surišimo energijos ε priklausomybės. = E šviesa (A,Z)/A iš masės skaičiaus A. Dalijantis sunkiajam branduoliui, susidaro lengvesni branduoliai, kuriuose nukleonai yra stipriau surišti, dalijimosi metu išsiskiria dalis energijos. Paprastai branduolio dalijimąsi lydi 1–4 neutronų emisija. Dalijimosi energiją Q išreikškime pradinio ir galutinio branduolių surišimo energija. Pradinio branduolio, susidedančio iš Z protonų ir N neutronų, turinčio masę M(A,Z) ir surišimo energiją E st (A,Z), energiją užrašome tokia forma:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E St (A,Z).

Branduolio (A,Z) padalijimą į 2 fragmentus (A 1 ,Z 1) ir (A 2 ,Z 2) lydi N n susidarymas. = A – A 1 – A 2 greiti neutronai. Jei branduolys (A,Z) skyla į fragmentus, kurių masės yra M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) ir surišimo energija E св1 (A 1,Z 1), E св2 (A 2) , Z 2), tada dalijimosi energijai turime išraišką:

Q div = (M(A,Z) – )c 2 = E St 1 (A 1 ,Z 1) + E St (A 2 ,Z 2) – E St (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n, Z = Z 1 + Z 2.

23. Elementarioji dalijimosi teorija.

1939 metais N. Boras Ir J. Wheeleris, ir taip pat Taip, Frenkel Ilgai prieš tai, kai dalijimasis buvo išsamiai ištirtas eksperimentiškai, buvo pasiūlyta šio proceso teorija, pagrįsta branduolio kaip įkrauto skysčio lašo idėja.

Dalijimosi metu išsiskiriančią energiją galima gauti tiesiogiai iš Weizsäcker formulės.

Apskaičiuokime energijos kiekį, išsiskiriantį dalijantis sunkiajam branduoliui. Pakeiskime į (f.2) branduolių (f.1) surišimo energijų išraiškas, darydami prielaidą, kad A 1 = 240 ir Z 1 = 90. Nepaisydami paskutinio (f.1) nario dėl jo mažumo ir pakeitimo gauname parametrų a 2 ir a 3 reikšmes

Iš to gauname, kad dalijimasis yra energetiškai palankus, kai Z 2 /A > 17. Z 2 /A reikšmė vadinama dalijimosi parametru. Skilimo metu išsiskirianti energija E didėja didėjant Z 2 /A; Z 2 /A = 17 branduoliams itrio ir cirkonio srityje. Iš gautų įverčių matyti, kad dalijimasis yra energetiškai palankus visiems branduoliams, kurių A > 90. Kodėl dauguma branduolių yra stabilūs savaiminio dalijimosi atžvilgiu? Norėdami atsakyti į šį klausimą, pažiūrėkime, kaip keičiasi branduolio forma dalijimosi metu.

Panagrinėkime pradinį dalijimosi etapą, kai branduolys, didėjant r, įgauna vis ilgėjančio revoliucijos elipsoido formą. Šiame dalijimosi etape r yra branduolio nuokrypio nuo rutulio formos matas (3 pav.). Dėl branduolio formos evoliucijos jo potencinės energijos kitimą lemia paviršiaus ir Kulono energijų sumos pokytis E" n + E" k Daroma prielaida, kad branduolio tūris išlieka nepakitęs deformacijos proceso metu. Šiuo atveju paviršiaus energija E"n didėja, didėjant branduolio paviršiaus plotui. Kulono energija E"k mažėja, nes didėja vidutinis atstumas tarp nukleonų. Tegul sferinė šerdis dėl nedidelės deformacijos, kuriai būdingas mažas parametras, įgauna ašies simetriško elipsoido formą. Galima parodyti, kad paviršiaus energija E"n ir Kulono energija E"k kinta taip, priklausomai nuo:

Esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas vyksta greičiau nei Kulono energijos sumažėjimas. Sunkiųjų branduolių srityje 2E n > E k paviršiaus ir Kulono energijų suma didėja didėjant . Iš (f.4) ir (f.5) matyti, kad esant mažoms elipsoidinėms deformacijoms, paviršiaus energijos padidėjimas užkerta kelią tolesniems branduolio formos pokyčiams ir, atitinkamai, dalijimuisi. Išraiška (f.5) galioja mažoms reikšmėms (mažoms deformacijoms). Jei deformacija tokia didelė, kad šerdis įgauna hantelio formą, tai paviršiaus įtempimo jėgos, kaip ir Kulono jėgos, yra linkusios atskirti šerdį ir suteikti fragmentams sferinę formą. Šioje dalijimosi stadijoje įtempimo padidėjimą lydi Kulono ir paviršiaus energijos sumažėjimas. Tie. palaipsniui didėjant branduolio deformacijai, jo potenciali energija pereina per maksimumą. Dabar r reiškia atstumą tarp būsimų fragmentų centrų. Kai fragmentai tolsta vienas nuo kito, jų sąveikos potenciali energija mažės, nes mažėja Kulono atstūmimo energija Ek Potencialios energijos priklausomybė nuo atstumo tarp fragmentų parodyta fig. 4. Potencialios energijos nulinis lygis atitinka dviejų nesąveikaujančių fragmentų paviršiaus ir Kulono energijų sumą. Potencialaus barjero buvimas apsaugo nuo momentinio savaiminio branduolių dalijimosi. Kad branduolys akimirksniu suskiltų, jam reikia suteikti energiją Q, viršijančią barjero H aukštį. Didžiausia skiliojo branduolio potencinė energija yra apytiksliai lygi e 2 Z 2 /(R 1 + R 2), kur R1 ir R2 yra fragmentų spinduliai. Pavyzdžiui, kai aukso branduolys yra padalintas į du identiškus fragmentus, e 2 Z 2 /(R 1 + R 2) = 173 MeV, o dalijimosi metu išsiskiriantis energijos kiekis E ( žr. formulę (f.2)), lygi 132 MeV. Taigi, aukso branduolio dalijimosi metu būtina įveikti potencialų barjerą, kurio aukštis yra apie 40 MeV. , Kuo didesnis barjero aukštis H, tuo mažesnis Kulono ir paviršiaus energijos E santykis su /E p pradiniame branduolyje. Šis santykis savo ruožtu didėja didėjant dalijamumo parametrui Z 2 /A (

Tie. Pagal lašelių modelį gamtoje neturėtų būti branduolių, kurių Z 2 /A > 49, nes jie spontaniškai dalijasi beveik akimirksniu (per būdingą branduolio laiką, maždaug 10–22 s). Atomų branduolių, kurių Z 2 /A > 49 („stabilumo sala“), egzistavimas paaiškinamas apvalkalo struktūra. Potencialaus barjero H formos, aukščio ir dalijimosi energijos E priklausomybė nuo dalijimosi parametro Z 2 /A reikšmės parodyta fig. 5.

Savaiminis branduolių dalijimasis su Z 2 /A< 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 metai 232 Th iki 0,3 s 260 Ku. Priverstinis branduolių dalijimasis su Z 2 /A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

Branduolinės reakcijos. Dalelės sąveika su atomo branduoliu, dėl kurios šis branduolys virsta nauju branduoliu, kai išsiskiria antrinės dalelės arba gama spinduliai, vadinama branduoline reakcija.

Pirmąją branduolinę reakciją 1919 m. atliko Rutherfordas. Jis išsiaiškino, kad alfa dalelėms susidūrus su azoto atomų branduoliais susidaro greitai judantys protonai. Tai reiškė, kad azoto izotopo branduolys dėl susidūrimo su alfa dalele buvo transformuotas į deguonies izotopo branduolį:

.

Branduolinės reakcijos gali įvykti išskiriant arba absorbuojant energiją. Naudojant masės ir energijos santykio dėsnį, branduolinės reakcijos energijos išeigą galima nustatyti nustatant į reakciją patenkančių dalelių ir reakcijos produktų masių skirtumą:

Urano branduolių dalijimosi grandininė reakcija. Tarp įvairių branduolinių reakcijų šiuolaikinės žmonių visuomenės gyvenime ypač svarbios kai kurių sunkiųjų branduolių dalijimosi grandininės reakcijos.

1939 m. buvo aptikta urano branduolių dalijimosi reakcija bombarduojant neutronus. Eksperimentinių ir teorinių tyrimų, kuriuos atliko E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. Frisch, F. Joliot-Curie, buvo nustatyta, kad vienam neutronui patekus į urano branduolį, branduolys dalijasi į dvi ar tris dalis.

Skilus vienam urano branduoliui, išsiskiria apie 200 MeV energijos. Fragmentų branduolių judėjimo kinetinė energija sudaro apie 165 MeV, likusią energijos dalį nuneša gama kvantai.

Žinant energiją, išsiskiriančią vieno urano branduolio dalijimosi metu, galima apskaičiuoti, kad 1 kg urano visų branduolių dalijimosi energija yra 80 tūkstančių milijardų džaulių. Tai kelis milijonus kartų daugiau, nei išsiskiria deginant 1 kg anglies ar naftos. Todėl buvo ieškoma būdų, kaip branduolinę energiją išleisti dideliais kiekiais naudoti praktiniais tikslais.

F. Joliot-Curie pirmasis pasiūlė grandininių branduolinių reakcijų galimybę 1934 m. 1939 m. jis kartu su H. Halbanu ir L. Kowarskiu eksperimentiškai išsiaiškino, kad dalijantis urano branduoliui, be branduolinių fragmentų. , 2 -3 laisvieji neutronai. Esant palankioms sąlygoms, šie neutronai gali atsitrenkti į kitus urano branduolius ir sukelti jų dalijimąsi. Skilus trims urano branduoliams turėtų išsiskirti 6-9 nauji neutronai, jie pateks į naujus urano branduolius ir pan. Urano branduolių dalijimosi grandininės reakcijos raidos schema pateikta 316 paveiksle.

Ryžiai. 316

Praktinis grandininių reakcijų įgyvendinimas nėra toks paprastas uždavinys, kaip atrodo diagramoje. Neutronai, išsiskiriantys dalijantis urano branduoliams, gali sukelti tik 235 masės urano izotopo branduolių dalijimąsi, tačiau jų energijos nepakanka, kad sunaikinti urano izotopo, kurio masės skaičius yra 238, branduolius. Gamtiniame urane urano, kurio masės numeris 238, dalis yra 99,8%, o urano, kurio masės numeris 235, dalis yra tik 0,7%. Todėl pirmasis galimas būdas atlikti dalijimosi grandininę reakciją yra susijęs su urano izotopų atskyrimu ir gryno izotopo gamyba pakankamai dideliais kiekiais. Būtina sąlyga, kad įvyktų grandininė reakcija, yra pakankamai didelis urano kiekis, nes mažame mėginyje dauguma neutronų praskrenda per mėginį nepataikę į jokį branduolį. Mažiausia urano masė, kurioje gali įvykti grandininė reakcija, vadinama kritine mase. Urano-235 kritinė masė yra kelios dešimtys kilogramų.

Paprasčiausias būdas atlikti grandininę reakciją urane-235 yra toks: gaminami du urano metalo gabalai, kurių kiekvieno masė yra šiek tiek mažesnė už kritinę. Grandininė reakcija negali vykti kiekviename iš jų atskirai. Kai šie gabalai greitai sujungiami, išsivysto grandininė reakcija ir išsiskiria didžiulė energija. Urano temperatūra siekia milijonus laipsnių, pats uranas ir visos kitos netoliese esančios medžiagos virsta garais. Įkaitęs dujinis rutulys sparčiai plečiasi, sudegindamas ir sunaikindamas viską savo kelyje. Taip įvyksta branduolinis sprogimas.

Branduolinio sprogimo energiją panaudoti taikiems tikslams labai sunku, nes energijos išsiskyrimas yra nekontroliuojamas. Branduoliniuose reaktoriuose vykdomos valdomos grandininės urano branduolių dalijimosi reakcijos.

Branduolinis reaktorius. Pirmieji branduoliniai reaktoriai buvo lėtųjų neutronų reaktoriai (317 pav.). Daugumos urano branduolių dalijimosi metu išsiskiriančių neutronų energija yra 1-2 MeV. Jų greitis yra maždaug 107 m/s, todėl jie vadinami greitaisiais neutronais. Esant tokiai energijai, neutronai sąveikauja su uranu ir urano branduoliais maždaug tokiu pat efektyvumu. O kadangi gamtiniame urane yra 140 kartų daugiau urano branduolių nei urano branduoliuose, tai daugumą šių neutronų sugeria urano branduoliai ir nesivysto grandininė reakcija. Neutronai, judantys artimu šiluminio judėjimo greičiui (apie 2·10 3 m/s), vadinami lėtais arba terminiais. Lėti neutronai gerai sąveikauja su urano-235 branduoliais ir juos sugeria 500 kartų efektyviau nei greitieji neutronai. Todėl apšvitinus gamtinį uraną lėtaisiais neutronais, dauguma jų absorbuojami ne urano-238, o urano-235 branduoliuose ir sukelia jų dalijimąsi. Vadinasi, kad gamtiniame urane išsivystytų grandininė reakcija, neutronų greitis turi būti sumažintas iki šiluminio.

Ryžiai. 317

Neutronai sulėtėja dėl susidūrimų su terpės, kurioje jie juda, atominiais branduoliais. Norint sulėtinti neutronus reaktoriuje, naudojama speciali medžiaga, vadinama moderatoriumi. Moderuojančios medžiagos atomų branduoliai turi būti santykinai mažos masės, nes susidūręs su lengvuoju branduoliu neutronas praranda daugiau energijos nei susidūręs su sunkiuoju. Dažniausi moderatoriai yra paprastas vanduo ir grafitas.

Erdvė, kurioje vyksta grandininė reakcija, vadinama reaktoriaus šerdimi. Siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, reaktoriaus aktyvioji zona yra apsupta neutronų reflektoriaus, kuris atmeta didelę dalį išbėgančių neutronų į aktyviąją erdvę. Ta pati medžiaga, kuri tarnauja kaip moderatorius, dažniausiai naudojama kaip atšvaitas.

Reaktoriaus veikimo metu išsiskirianti energija pašalinama naudojant aušinimo skystį. Kaip aušinimo skystis gali būti naudojami tik tie skysčiai ir dujos, kurie neturi galimybės sugerti neutronų. Kaip aušinimo skystis plačiai naudojamas paprastas vanduo, kartais naudojamas net skystas metalinis natris.

Reaktorius valdomas naudojant specialius valdymo (arba valdymo) strypus, įstatytus į reaktoriaus aktyvią zoną. Valdymo strypai pagaminti iš boro arba kadmio junginių, kurie labai efektyviai sugeria šiluminius neutronus. Prieš pradedant veikti reaktoriui, jie visiškai įvedami į jo šerdį. Sugerdami didelę neutronų dalį, jie neleidžia vystytis grandininei reakcijai. Norint paleisti reaktorių, valdymo strypai palaipsniui pašalinami iš aktyviosios zonos, kol energijos išsiskyrimas pasiekia iš anksto nustatytą lygį. Kai galia pakyla virš nustatyto lygio, įjungiamos automatinės mašinos, kurios įkiša valdymo strypus giliai į šerdį.

Branduolinė energija. Branduolinė energetika mūsų šalyje pirmą kartą buvo panaudota taikai. Pirmasis atomo mokslo ir technologijų darbo organizatorius ir vadovas SSRS buvo akademikas Igoris Vasiljevičius Kurchatovas (1903–1960).

Šiuo metu didžiausia SSRS ir Europoje yra pavadinta Leningrado AE. V.I. Leninas turi 4000 MW galią, t.y. 800 kartų didesnė už pirmosios atominės elektrinės galią.

Didelėse atominėse elektrinėse pagamintos elektros savikaina yra mažesnė nei šiluminėse elektrinėse pagamintos elektros savikaina. Todėl branduolinė energetika vystosi sparčiai.

Branduoliniai reaktoriai naudojami kaip elektrinės karinių jūrų pajėgų laivuose. Sovietų Sąjungoje 1959 metais buvo pastatytas pirmasis pasaulyje taikus laivas su atomine elektrine – branduoliniu varikliu varomas ledlaužis „Lenin“.

Sovietinis atominis ledlaužis „Arktika“, pastatytas 1975 m., tapo pirmuoju pasaulyje antvandeniniu laivu, pasiekusiu Šiaurės ašigalį.

Termobranduolinė reakcija. Branduolinė energija išsiskiria ne tik sunkiųjų branduolių dalijimosi branduolinėse reakcijose, bet ir lengvųjų atomų branduolių jungimosi reakcijose.

Norint sujungti panašaus krūvio protonus, būtina įveikti Kulono atstūmimo jėgas, o tai įmanoma esant pakankamai dideliems dalelių susidūrimo greičiams. Būtinos sąlygos helio branduolių sintezei iš protonų egzistuoja žvaigždžių viduje. Žemėje termobranduolinės sintezės reakcija buvo atlikta eksperimentinių termobranduolinių sprogimų metu.

Helio sintezė iš lengvojo vandenilio izotopo vyksta maždaug 108 K temperatūroje, o helio sintezei iš sunkiųjų vandenilio izotopų - deuterio ir tričio - pagal schemą

reikia pašildyti iki maždaug 5 10 7 K.

Iš deuterio ir tričio susintetinant 1 g helio išsiskiria 4,2·10 11 J. Ši energija išsiskiria deginant 10 tonų dyzelinio kuro.

Vandenilio atsargos Žemėje yra praktiškai neišsenkančios, todėl termobranduolinės sintezės energijos panaudojimas taikiems tikslams yra vienas svarbiausių šiuolaikinio mokslo ir technikos uždavinių.

Manoma, kad kontroliuojama termobranduolinė helio sintezės reakcija iš sunkiųjų vandenilio izotopų kaitinant turi būti vykdoma leidžiant elektros srovę per plazmą. Magnetinis laukas naudojamas tam, kad įkaitinta plazma nesiliestų su kameros sienelėmis. Eksperimentinėje instaliacijoje Tokamak-10 sovietų fizikai sugebėjo pašildyti plazmą iki 13 milijonų laipsnių temperatūros. Vandenilį galima kaitinti iki aukštesnės temperatūros naudojant lazerio spinduliuotę. Norėdami tai padaryti, kelių lazerių šviesos pluoštai turi būti sufokusuoti į stiklinį rutulį, kuriame yra sunkiųjų deuterio ir tričio izotopų mišinys. Eksperimentuose su lazerinėmis instaliacijomis jau buvo gauta plazma, kurios temperatūra siekia keliasdešimt milijonų laipsnių.

Branduolinė grandininė reakcija. Atlikus urano švitinimo neutronais eksperimentus, buvo nustatyta, kad neutronų įtakoje urano branduoliai yra padalinti į du maždaug pusės masės ir krūvio branduolius (fragmentus); šį procesą lydi kelių (dviejų ar trijų) neutronų emisija (402 pav.). Be urano, gali dalytis ir kai kurie kiti elementai iš paskutiniųjų Mendelejevo periodinės lentelės elementų. Šie elementai, kaip ir uranas, dalijasi ne tik veikiami neutronų, bet ir be išorinės įtakos (spontaniškai). Savaiminį dalijimąsi eksperimentiniu būdu nustatė sovietų fizikai K. A. Petržakas ir Georgijus Nikolajevičius Flerovas (g. 1913 m.) 1940 m. Tai labai retas procesas. Taigi 1 g urano per valandą įvyksta tik apie 20 savaiminio dalijimosi.

Ryžiai. 402. Urano branduolio skilimas veikiant neutronams: a) branduolys pagauna neutroną; b) neutrono smūgis į branduolį sukelia pastarojo virpesius; c) šerdis padalinta į du fragmentus; tuo pačiu metu išsiskiria dar keli neutronai

Dėl abipusio elektrostatinio atstūmimo dalijimosi fragmentai išsisklaido priešingomis kryptimis, įgydami milžinišką kinetinę energiją (apie ). Taigi dalijimosi reakcija vyksta labai išsiskiriant energijai. Greitai judantys fragmentai intensyviai jonizuoja terpės atomus. Ši fragmentų savybė naudojama skilimo procesams aptikti naudojant jonizacijos kamerą arba debesų kamerą. Skilimo fragmentų pėdsakų debesų kameroje nuotrauka parodyta Fig. 403. Itin reikšminga tai, kad urano branduolio dalijimosi metu išsiskiriantys neutronai (vadinamieji antrinio dalijimosi neutronai) gali sukelti naujų urano branduolių dalijimąsi. Dėl to įmanoma atlikti dalijimosi grandininę reakciją: jai įvykus, reakcija iš esmės gali tęstis savaime, apimdama vis daugiau branduolių. Tokios didėjančios celono reakcijos vystymosi diagrama parodyta Fig. 404.

Ryžiai. 403. Urano dalijimosi fragmentų pėdsakų debesų kameroje nuotrauka: fragmentai () skrenda priešingomis kryptimis nuo plono urano sluoksnio, nusėdusio ant kamerą blokuojančios plokštės. Nuotraukoje taip pat matyti daug plonesnių pėdsakų, priklausančių protonams, kuriuos išmušė neutronai iš kameroje esančio vandens automobilio molekulių.

Praktiškai atlikti dalijimosi grandininę reakciją nėra lengva; patirtis rodo, kad natūralaus urano masėje grandininė reakcija nevyksta. To priežastis yra antrinių neutronų praradimas; gamtiniame urane dauguma neutronų išeina nesukeldami dalijimosi. Kaip atskleidė tyrimai, neutronai prarandami labiausiai paplitusiame urano izotope - urane - 238 (). Šis izotopas lengvai sugeria neutronus reakcijomis, panašiomis į sidabro reakciją su neutronais (žr. § 222); taip susidaro dirbtinai radioaktyvus izotopas. Jis dalijasi sunkiai ir tik veikiamas greitųjų neutronų.

Izotopas, kurio kiekis yra natūraliame urane, turi palankesnių savybių grandininei reakcijai. Jis yra padalintas veikiant bet kokios energijos neutronams - greitas ir lėtas, o kuo mažesnė neutronų energija, tuo geriau. Procesas, konkuruojantis su dalijimusi – paprasta neutronų absorbcija – mažai tikėtinas, kitaip. Todėl gryname urane-235 galima skilimo grandininė reakcija, tačiau su sąlyga, kad urano-235 masė yra pakankamai didelė. Mažos masės urane dalijimosi reakcija nutrūksta dėl antrinių neutronų emisijos už jo medžiagos ribų.

Ryžiai. 404. Vertingos dalijimosi reakcijos sukūrimas: sutartinai priimta, kad dalijantis branduoliui išsiskiria du neutronai ir neutronų netenkama, t.y. kiekvienas neutronas sukelia naują skilimą; apskritimai – dalijimosi fragmentai, rodyklės – dalijimosi neutronai

Tiesą sakant, dėl mažo atominių branduolių dydžio neutronas nukeliauja nemažą atstumą (matuojant centimetrais) per medžiagą, kol netyčia susiduria su branduoliu. Jei kūno dydis mažas, tada susidūrimo tikimybė pakeliui į išvažiavimą yra maža. Beveik visi antrinio dalijimosi neutronai išspinduliuojami per kūno paviršių nesukeliant naujų skilimų, t.y., netęsiant reakcijos.

Iš didelio kūno daugiausia išskrenda paviršiniame sluoksnyje susidarę neutronai. Kūno viduje susidarę neutronai prieš save turi pakankamo storio urano ir dažniausiai sukelia naujus skilimus, tęsdami reakciją (405 pav.). Kuo didesnė urano masė, tuo mažesnė jo tūrio dalis yra paviršinis sluoksnis, iš kurio prarandama daug neutronų, ir tuo palankesnės sąlygos vystytis grandininei reakcijai.

Ryžiai. 405. Skilimo grandininės reakcijos plėtra in. a) Esant mažai masei, dauguma dalijimosi neutronų išskrenda. b) Didelėje urano masėje daug dalijimosi neutronų sukelia naujų branduolių dalijimąsi; padalinių skaičius didėja iš kartos į kartą. Apskritimai – dalijimosi fragmentai, rodyklės – dalijimosi neutronai

Palaipsniui didindami kiekį pasieksime kritinę masę, t.y mažiausią masę, nuo kurios prasideda neslopinama grandininė dalijimosi reakcija. Toliau didėjant masei, reakcija pradės sparčiai vystytis (prasidės nuo savaiminio skilimo). Kai masė sumažėja žemiau kritinės vertės, reakcija išnyksta.

Taigi, galima atlikti dalijimosi grandininę reakciją. Jei turite pakankamai švarios, atskirtos nuo.

Kaip matėme §202, izotopų atskyrimas yra sudėtinga ir brangi operacija, tačiau ją vis tiek galima atlikti. Iš tiesų, gavyba iš natūralaus urano buvo vienas iš būdų, kaip buvo įgyvendinta dalijimosi grandininė reakcija.

Be to, grandininė reakcija buvo pasiekta kitu būdu, kuriam nereikėjo atskirti urano izotopų. Šis metodas iš esmės yra šiek tiek sudėtingesnis, tačiau lengviau įgyvendinamas. Jis naudoja greito antrinio dalijimosi neutronų sulėtinimą iki šiluminio judėjimo greičio. Matėme, kad gamtiniame urane tiesioginius antrinius neutronus daugiausia sugeria izotopas. Kadangi absorbcija nesukelia skilimo, reakcija baigiasi. Kaip rodo matavimai, sulėtėjus neutronams iki šiluminio greičio, sugerties pajėgumas padidėja labiau nei sugerties pajėgumas. Pirmenybė teikiama neutronų sugerčiai izotopui, dėl kurio vyksta dalijimasis. Todėl sulėtėjus dalijimosi neutronams, neleidžiant jiems absorbuotis, su natūraliu uranu bus įmanoma grandininė reakcija.

Ryžiai. 406. Gamtinio urano sistema ir moderatorius, kuriame gali išsivystyti dalijimosi grandininė reakcija

Praktiškai šis rezultatas pasiekiamas į moderatorių dedant karštus natūralaus urano strypus retos gardelės pavidalu (406 pav.). Medžiagos, turinčios mažą atominę masę ir silpnai sugeriančios neutronus, naudojamos kaip moderatoriai. Geri moderatoriai yra grafitas, sunkusis vanduo ir berilis.

Tegul urano branduolio skilimas įvyksta viename iš strypų. Kadangi strypas yra gana plonas, beveik visi greitieji antriniai neutronai pateks į moderatorių. Strypai yra gana negausiai išdėstyti grotelėse. Išspinduliuotas neutronas, prieš atsitrenkdamas į naują strypą, patiria daug susidūrimų su moderatoriaus branduoliais ir sulėtėja iki šiluminio judėjimo greičio (407 pav.). Po to atsitrenkęs į urano strypą, neutronas greičiausiai bus absorbuojamas ir sukels naują skilimą, taip tęsdamas reakciją. Skilimo grandininė reakcija pirmą kartą buvo atlikta JAV 1942 m. italų fiziko Enrico Fermi (1901-1954) vadovaujama mokslininkų grupė sistemoje su natūraliu uranu. Šis procesas buvo savarankiškai įgyvendintas SSRS 1946 m. Akademikas Igoris Vasiljevičius Kurchatovas (1903-1960) ir jo darbuotojai.

Ryžiai. 407. Vertingos dalijimosi reakcijos sukūrimas gamtinio urano sistemoje ir moderatorius. Greitas neutronas, ištrūkęs iš plonos lazdelės, patenka į moderatorių ir sulėtėja. Grįžęs į uraną, sulėtėjęs neutronas greičiausiai absorbuojamas į , sukeldamas dalijimąsi (simbolis: du balti apskritimai). Kai kurie neutronai absorbuojami nesukeldami dalijimosi (simbolis: juodas apskritimas)

Fizikos pamoka 9 klasėje

„Urano branduolių dalijimasis. Grandininė reakcija"

Pamokos tikslas: Supažindinti studentus su urano atomų branduolių dalijimosi procesu ir grandininės reakcijos mechanizmu.

Užduotys:

edukacinis:

ištirti urano-235 branduolių dalijimosi mechanizmą; pristatyti kritinės masės sąvoką; nustatyti veiksnius, lemiančius grandininės reakcijos atsiradimą.

edukacinis:

padėti mokiniams suprasti mokslinių atradimų reikšmę ir pavojus, kuris gali kilti dėl mokslo laimėjimų, kurių požiūris į juos yra neapgalvotas, neraštingas ar amoralus.

kuriant:

loginio mąstymo ugdymas; monologinės ir dialoginės kalbos ugdymas; mokinių psichinių operacijų ugdymas: analizė, palyginimas, mokymasis. Pasaulio paveikslo vientisumo idėjos formavimas

Pamokos tipas: naujų žinių mokymosi pamoka.

Kompetencijos, kurias siekiama ugdyti pamokoje:

vertybė-semantinė – gebėjimas matyti ir suprasti mus supantį pasaulį,

bendroji kultūra - studento įvaldyti mokslinį pasaulio vaizdą,

edukacinis ir pažintinis – gebėjimas atskirti faktus nuo spėlionių,

Bendravimas – darbo grupėje įgūdžiai, įvairių socialinių vaidmenų komandoje įvaldymas,

asmeninio tobulėjimo kompetencijos – mąstymo ir elgesio kultūra

Pamokos eiga: 1. Organizacinis momentas.

Atėjo nauja pamoka. Aš tau šypsosiuosi, o tu šypsosi vienas kitam. Ir jūs pagalvosite: kaip gerai, kad šiandien visi esame čia kartu. Esame kuklūs ir malonūs, draugiški ir meilūs. Mes visi sveiki. - Giliai įkvėpkite ir iškvėpkite. Iškvėpkite vakarykštį apmaudą, pyktį ir nerimą. Linkiu mums visiems geros pamokos .

2. Namų darbų tikrinimas.

Testas.

1. Kokį krūvį turi branduolys?

1) teigiamas 2) neigiamas 3) branduolys neturi krūvio

2. Kas yra alfa dalelė?

1) elektronas 2) branduolio helio atomas

3) elektromagnetinė spinduliuotė

3. Kiek protonų ir neutronų yra berilioBe atomo branduolyje?

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

4. Kurio cheminio elemento branduolys susidaro radžio α - skilimo metu?

Ra → ? + Jis.

1) radonas 2) uranas 3) fermis

5. Branduolio masė visada yra ... nukleonų, iš kurių jis susideda, masių suma.

1) didesnis nei 2) lygus 3) mažesnis

6. Neutronas yra dalelė

1) kurio krūvis +1, atominė masė 1;

2) turintis mokestį – 1, atominė masė 0;

3) kurio krūvis 0, atominė masė 1.

7.Nurodykite antrąjį branduolinės reakcijos produktą

Atsakymai: 1 variantas. 1)1; 2)2; 3)3; 4)1; 5)3; 6)3; 7)3.

8. Kaip branduolyje esantys protonai elektriškai sąveikauja tarpusavyje?

9. Kas yra masinis defektas? Užsirašykite formulę.

10. Kas yra surišimo energija? Užsirašykite formulę.

Naujos medžiagos mokymasis.

Neseniai sužinojome, kad kai kurie cheminiai elementai radioaktyvaus skilimo metu virsta kitais cheminiais elementais. Kaip manote, kas nutiks, jei į kokio nors cheminio elemento atomo branduolį pasiųsite dalelę, pavyzdžiui, neutroną į urano branduolį?

1939 metais vokiečių mokslininkai Otto Hahnas ir Fritzas Strassmannas atrado urano branduolių dalijimąsi. Jie nustatė, kad bombarduojant uraną neutronais, atsiranda periodinės lentelės vidurinės dalies elementai – radioaktyvieji bario izotopai (Z = 56), kriptonas (Z = 36) ir kt.

Išsamiau panagrinėkime urano branduolio dalijimosi procesą bombarduojant neutronu pagal paveikslą. Neutroną, patekusį į urano branduolį, jis sugeria. Šerdis susijaudina ir pradeda deformuotis kaip skysčio lašas.

Branduolys susijaudina ir pradeda deformuotis. Kodėl branduolys skyla į dvi dalis? Kokiomis jėgomis įvyksta plyšimas?

Kokios jėgos veikia branduolio viduje?

– Elektrostatinis ir branduolinis.

Gerai, bet kaip pasireiškia elektrostatinės jėgos?

– Tarp įkrautų dalelių veikia elektrostatinės jėgos. Įkrauta dalelė branduolyje yra protonas. Kadangi protonas yra teigiamai įkrautas, tai reiškia, kad tarp jų veikia atstumiančios jėgos.

Tiesa, bet kaip pasireiškia branduolinės jėgos?

– Branduolinės jėgos yra traukos jėgos tarp visų nukleonų.

Taigi, kokių jėgų veikiamas branduolys plyšta?

– (Jei kyla sunkumų, užduodu orientacinius klausimus ir vedu mokinius prie teisingų išvadų) Veikiamas elektrostatinių atstumiamųjų jėgų, branduolys skyla į dvi dalis, kurios skrenda skirtingomis kryptimis ir išskiria 2-3 neutronus.

Jis tęsiasi tol, kol elektrinės atstumiančios jėgos pradeda vyrauti prieš branduolines. Branduolys skyla į du fragmentus, išskiriant du ar tris neutronus. Tai yra urano branduolio dalijimosi technologija.

Skeveldros išskrenda labai dideliu greičiu. Pasirodo, dalis branduolio vidinės energijos paverčiama skraidančių fragmentų ir dalelių kinetine energija. Fragmentai patenka į aplinką. Kaip manai, kas jiems darosi?

– Aplinkoje sulėtėja fragmentai.

Kad nepažeistume energijos tvermės dėsnio, turime pasakyti, kas atsitiks su kinetine energija?

– Fragmentų kinetinė energija paverčiama vidine aplinkos energija.

Ar galite pastebėti, kad pasikeitė terpės vidinė energija?

– Taip, aplinka šyla.

Ar vidinės energijos pokyčiui įtakos turės tai, kad dalijimosi metu dalyvaus skirtingas urano branduolių skaičius?

– Žinoma, vienu metu dalijantis daugybei urano branduolių, didėja uraną supančios aplinkos vidinė energija.

Iš chemijos kurso žinote, kad reakcijos gali įvykti ir sugeriant energiją, ir išskiriant. Ką galime pasakyti apie urano branduolių dalijimosi reakcijos eigą?

– Urano branduolių dalijimosi reakcija į aplinką išskiria energiją.

(13 skaidrė)

Uranas gamtoje randamas dviejų izotopų pavidalu: U (99,3%) ir U (0,7%). Šiuo atveju U dalijimosi reakcija intensyviausiai vyksta su lėtaisiais neutronais, o U branduoliai tiesiog sugeria neutroną, o dalijimasis nevyksta. Todėl pagrindinis susidomėjimas yra U branduolio dalijimosi reakcija. Šiuo metu yra žinoma apie 100 skirtingų izotopų, kurių masės skaičius yra nuo 90 iki 145, kurie atsiranda šio branduolio dalijimosi metu. Dvi tipiškos šio branduolio dalijimosi reakcijos yra:

Atkreipkime dėmesį, kad urano branduolių dalijimosi metu išsiskirianti energija yra milžiniška. Pavyzdžiui, visiškai suskaidžius visus branduolius, esančius 1 kg urano, išsiskiria tokia pati energija, kaip ir sudegus 3000 tonų anglies. Be to, ši energija gali būti išlaisvinta akimirksniu.

(14 skaidrė)

Sužinojome, kas atsitiks su fragmentais, kaip elgsis neutronai?

Skilus urano-235 branduoliui, kurį sukelia susidūrimas su neutronu, išsiskiria 2 arba 3 neutronai. Esant palankioms sąlygoms, šie neutronai gali atsitrenkti į kitus urano branduolius ir sukelti jų dalijimąsi. Šiame etape atsiras nuo 4 iki 9 neutronų, galinčių sukelti naujus urano branduolių skilimus ir pan. Toks laviną primenantis procesas vadinamas grandininė reakcija. (Įrašykite į sąsiuvinį: Branduolinė grandininė reakcija- branduolinių reakcijų seka, kurių kiekvieną sukelia dalelė, kuri pasirodė kaip reakcijos produktas ankstesniame sekos etape). Išsamiau apsvarstysime urano branduolių dalijimosi grandininės reakcijos vystymosi diagramą, naudodami sulėtintą vaizdo fragmentą, kad būtų galima išsamiau apsvarstyti.

Matome, kad bendras laisvųjų neutronų skaičius urano gabale laikui bėgant didėja kaip lavina. Prie ko tai galėtų privesti?

- Iki sprogimo.

Kodėl?

– Branduolio dalijimosi skaičius ir atitinkamai per laiko vienetą išsiskirianti energija didėja.

Tačiau galimas ir kitas variantas, kai laisvųjų neutronų skaičius laikui bėgant mažėja, o neutronas savo kelyje nepasitinka branduolio. Šiuo atveju kas atsitiks su grandinine reakcija?

- Tai sustos.

Ar įmanoma tokių reakcijų energiją panaudoti taikiems tikslams?

Kaip turėtų vykti reakcija?

– Reakcija turi vykti taip, kad laikui bėgant neutronų skaičius išliktų pastovus.

Kaip galime užtikrinti, kad neutronų skaičius visą laiką išliktų pastovus?

– (vaikinų pasiūlymai)

Norėdami išspręsti šią problemą, turite žinoti, kokie veiksniai įtakoja bendro laisvųjų neutronų skaičiaus padidėjimą ir sumažėjimą urano gabale, kuriame vyksta grandininė reakcija.

(15 skaidrė)

Vienas iš šių veiksnių yra urano masės . Faktas yra tas, kad ne kiekvienas branduolio dalijimosi metu išmestas neutronas sukelia kitų branduolių dalijimąsi. Jei urano gabalo masė (ir atitinkamai matmenys) yra per maža, iš jo išskris daug neutronų, nespėję susitikti su branduoliu, sukeldami jo skilimą ir taip sukurdami naujos kartos neutronų, reikalingų reakcijai tęsti. Tokiu atveju grandininė reakcija sustos. Kad reakcija tęstųsi, reikia padidinti urano masę iki tam tikros vertės, vadinamos kritiškas.

Kodėl didėjant masei tampa įmanoma grandininė reakcija?

Kad įvyktų grandininė reakcija, būtina, kad vadinamoji reprodukcijos greitis neutronai buvo didesni už vieną. Kitaip tariant, kiekvienoje paskesnėje kartoje turėtų būti daugiau neutronų nei ankstesnėje. Dauginimo koeficientą lemia ne tik neutronų, pagamintų kiekviename elementariame veiksme, skaičius, bet ir reakcijos vykstančios sąlygos – dalis neutronų gali būti sugerti kituose branduoliuose arba išeiti iš reakcijos zonos. Neutronai, išsiskiriantys dalijantis urano-235 branduoliams, gali sukelti tik to paties urano, kuris sudaro tik 0,7% natūralaus urano, branduolių dalijimąsi. Šios koncentracijos nepakanka grandininei reakcijai pradėti. U izotopas taip pat gali sugerti neutronus, bet tai nesukelia grandininės reakcijos.

(Į užrašų knygelę parašykite: Neutronų dauginimo koeficientask - kitos kartos neutronų skaičiaus ir ankstesnės kartos neutronų skaičiaus santykis visame neutronus dauginančios terpės tūryje)

Grandininė reakcija urane, kuriame yra daug urano-235, gali išsivystyti tik tada, kai urano masė viršija vadinamąją kritinę masę. Mažuose urano gabalėliuose dauguma neutronų išskrenda nepataikę į jokį branduolį. Grynojo urano-235 kritinė masė yra apie 50 kg.

(Į užrašų knygelę parašykite: Kritinė masė– mažiausias skiliosios medžiagos kiekis, reikalingas savaime išsilaikančiai dalijimosi grandininei reakcijai pradėti).

(16 skaidrė)

Kritinę urano masę galima sumažinti daug kartų naudojant vadinamuosius neutronų moderatorius. Faktas yra tas, kad urano branduolių skilimo metu susidarančių neutronų greitis yra per didelis, o tikimybė sugauti lėtus neutronus urano-235 branduoliais yra šimtus kartų didesnė nei greitųjų. Geriausias neutronų moderatorius yra sunkusis vanduo H 2 O. Sąveikaujant su neutronais paprastas vanduo pats virsta sunkiuoju vandeniu.

Grafitas, kurio branduoliai nesugeria neutronų, taip pat yra geras moderatorius. Elastingos sąveikos su deuterio ar anglies branduoliais metu neutronai sulėtina jų judėjimą.

Naudojant neutronų moderatorius ir specialų berilio apvalkalą, atspindintį neutronus, galima sumažinti kritinę masę iki 250 g (0,25 kg).

Į užrašų knygelę parašykite:

Kritinę masę galima sumažinti, jei:

Naudokite moderatorius (grafito, paprasto ir sunkaus vandens)

Šviesą atspindintis apvalkalas (berilis)).

O atominėse bombose nekontroliuojama branduolinė grandininė reakcija įvyksta, kai greitai susijungia du urano-235 gabalai, kurių kiekvieno masė yra šiek tiek mažesnė už kritinę.

Atominė bomba yra baisus ginklas. Kurių žalingi veiksniai yra: 1) šviesos spinduliuotė (įskaitant rentgeno ir šiluminę spinduliuotę); 2) Smūgio banga; 3) vietovės radiacinis užterštumas. Bet urano branduolių dalijimasis naudojamas ir taikiems tikslams – atominių elektrinių branduoliniuose reaktoriuose. Šiais atvejais vykstančius procesus nagrinėsime kitoje pamokoje.

XX amžiaus vidurį apibrėžia mokslo pagreitis: fantastinis pagreitis, mokslo pasiekimų įvedimas į gamybą ir mūsų gyvenimą. Visa tai verčia susimąstyti – ką rytoj mums duos mokslas?
Sušvelninti visus žmogaus egzistencijos sunkumus yra pagrindinis tikrai pažangaus mokslo tikslas. Kad žmonija būtų laimingesnė – ne tik viena, ne dvi, o žmonija. Ir tai labai svarbu, nes, kaip žinia, mokslas gali veikti ir prieš žmogų. Atominis sprogimas Japonijos miestuose Hirosimoje ir Nagasakyje yra tragiškas to pavyzdys.

Taigi, 1945 m. rugpjūčio mėn. Antrasis pasaulinis karas eina į pabaigą.

(2 skaidrė)

Rugpjūčio 6 d. 1.45 val. iš salos pakilo amerikiečių bombonešis B-29, kuriam vadovavo pulkininkas Paulas Tibbettsas, o nuo Hirosimos buvo maždaug 6 valandos.

(3 skaidrė)

Hirosima po atominio sprogimo.

Kieno šešėlis ten klaidžioja nematomas,
Ar tu aklas nuo bėdų?
Tai Hirosima verkia
Pelenų debesyse.
Kieno balsas karštoje tamsoje?
Ar girdi siautulį?
Nagasakis verkia
Sudegusioje žemėje
Šiame verkimo ir verkimo
Melo nėra
Visas pasaulis sustingo laukdamas -
Kas verks toliau?

(4 skaidrė)

Žuvusiųjų nuo tiesioginio sprogimo poveikio skaičius svyravo nuo 70 iki 80 tūkst. 1945 m. pabaigoje dėl radioaktyviosios taršos ir kitų sprogimo padarinių bendras mirčių skaičius svyravo nuo 90 iki 166 tūkst. Po 5 metų bendras mirčių skaičius pasiekė 200 000 žmonių.

(5 skaidrė)

Rugpjūčio 6 d., gavęs žinių apie sėkmingą Hirosimos atominį bombardavimą, JAV prezidentas Trumanas tai paskelbė

„Dabar esame pasiruošę dar greičiau ir visapusiškiau nei anksčiau sunaikinti visas japonų gamybos patalpas bet kuriame mieste. Mes sunaikinsime jų dokus, gamyklas ir komunikacijas. Tegul nėra nesusipratimų – visiškai sunaikinsime Japonijos galimybes kariauti“.

(6 skaidrė)

Rugpjūčio 9 d., 2:47, iš salos pakilo amerikiečių bombonešis B-29, kuriam vadovavo majoras, nešantis atominę bombą. 10:56 B-29 atvyko į Nagasakį. Sprogimas įvyko 11:02 vietos laiku.

(7 skaidrė)

Žuvusiųjų skaičius 1945 m. pabaigoje svyravo nuo 60 iki 80 tūkst. Po 5 metų bendras mirčių skaičius, įskaitant mirtis nuo vėžio ir kitus ilgalaikius sprogimo padarinius, galėjo pasiekti ar net viršyti 140 000.

Tai istorija, liūdna ir perspėjanti

Kiekvienas žmogus nėra sala,

kiekvienas žmogus yra didelio žemyno dalis.
Ir niekada neklausk, kam skambina varpas.
Jis tavęs kviečia...

Konsolidavimas.

Ko mes šiandien išmokome klasėje? (su urano branduolių dalijimosi mechanizmu, su grandinine reakcija)

Kokios sąlygos gali atsirasti grandininei reakcijai?

Kas yra kritinė masė?

Koks yra reprodukcijos greitis?

Kas tarnauja kaip neutronų moderatorius?

Atspindys.

Kaip jautiesi išėjus iš pamokos?

Įvertinimas.

Namų darbai: 74,75 pastraipos, klausimai 252-253 p