Яагаад хуваагдлын урвал вэ? Хичээлийн хураангуй "Уран цөмийн хуваагдал

>> Ураны цөмийн задрал

§ 107 УРАНЫ ЦӨМИЙН ЯЛАЛТ

Зөвхөн заримынх нь цөмийг хэсэг болгон хувааж болно хүнд элементүүд. Цөмүүд хуваагдах үед хоёр, гурван нейтрон ба -цацраг ялгардаг. Үүний зэрэгцээ маш их энерги ялгардаг.

Ураны задралын нээлт.Ураны цөмийн задралыг 1938 онд Германы эрдэмтэд О.Хан iF нээсэн. Страсманн. Тэд ураныг нейтроноор бөмбөгдөхөд дунд хэсгийн элементүүд гарч ирдэг болохыг тогтоожээ тогтмол хүснэгт: барий, криптон гэх мэт.Гэхдээ энэ баримтыг нейтроныг барьж авсан ураны цөмийн задрал гэж зөв тайлбарласныг 1939 оны эхээр Английн физикч О.Фриш Австрийн физикч Л.Мейтнерийн хамт өгчээ.

Нейтрон барих нь цөмийн тогтвортой байдлыг алдагдуулдаг. Цөм нь догдолж, тогтворгүй болж, энэ нь түүний хэсгүүдэд хуваагдахад хүргэдэг. Хүнд цөмийн үлдсэн масс нь задралын үр дүнд үүссэн хэсгүүдийн үлдсэн массын нийлбэрээс их байдаг тул цөмийн хуваагдал боломжтой. Тиймээс хуваагдлыг дагалддаг амралтын массын бууралттай тэнцэх энерги ялгардаг.

Хүнд цөмийн хуваагдах боломжийг мөн хамаарлын график ашиглан тайлбарлаж болно. тодорхой энергимассын дугаар А-аас холболт (13.11-р зургийг үз). Үелэх системд оршдог элементийн атомуудын цөмийн тусгай холболтын энерги сүүлчийн газрууд(A 200), үелэх системийн дунд байрлах элементүүдийн цөм дэх тусгай холболтын энергиээс ойролцоогоор 1 МэВ бага (A 100). Иймээс үелэх системийн дунд хэсэгт хүнд цөмүүдийг элементүүдийн цөм болгон задлах үйл явц нь энергийн хувьд таатай байдаг. Хагарлын дараа систем нь хамгийн бага дотоод энергитэй төлөвт ордог. Эцсийн эцэст, цөмийн холболтын энерги их байх тусам цөм гарч ирэхэд гарах энерги их байх ба улмаар шинээр үүссэн системийн дотоод энерги бага байх болно.

Цөмийн хуваагдлын үед нэг нуклонд ногдох холболтын энерги 1 МэВ-ээр нэмэгдэж, ялгарах нийт энерги нь асар их байх ёстой - 200 МэВ. Өөр ямар ч цөмийн урвал (хуваалттай холбоогүй) ийм их энерги ялгаруулдаггүй.

Ураны цөмийн задралын үед ялгарах энергийг шууд хэмжсэнээр дээрх бодлыг баталж, 200 МэВ утгыг өгсөн. Түүнээс гадна энэ энергийн ихэнх хэсэг (168 МэВ) хэсгүүдийн кинетик энерги дээр унадаг. Зураг 13.13-т та үүлний камер дахь ураны хуваагдмал хэсгүүдийн ул мөрийг харж байна.

Цөмийн задралын үед ялгарах энерги нь цөмийн бус электростатик энерги юм. Хэсэг хэсгүүдийн том кинетик энерги нь Кулоны түлхэлтээс болж үүсдэг.

Цөмийн задралын механизм.Цөмийн задралын үйл явцыг үндэслэн тайлбарлаж болно дуслын загварцөм. Энэ загварын дагуу нуклонууд нь цэнэгтэй шингэний дусалтай төстэй байдаг (Зураг 13.14, а). Нуклонуудын хоорондох цөмийн хүч нь шингэний молекулуудын хооронд үйлчилдэг хүч шиг богино зайд байдаг. -тай хамт том хүчПротонуудын хоорондох электростатик түлхэлт нь цөмийг хэсэг хэсгээр нь урах хандлагатай байдаг нь бүр ч их ажилладаг. цөмийн хүчнүүдтатах. Эдгээр хүч нь цөмийг задрахаас хамгаалдаг.

Уран-235 цөм нь бөмбөрцөг хэлбэртэй. Нэмэлт нейтроныг шингээж авсны дараа энэ нь догдолж, хэлбэрээ алдаж, сунгасан хэлбэрийг олж авдаг (Зураг 13.14, б). Сунгасан голын хагасуудын хоорондох түлхэх хүч нь дамжлагад нөлөөлж буй татах хүчийг давж эхлэх хүртэл гол нь сунах болно (Зураг 13.14, в). Үүний дараа энэ нь хоёр хэсэгт хуваагдана (Зураг 13.14, d).

Нөлөөллийн дор Кулоны хүчтүлхэлтийн үед эдгээр хэлтэрхийнүүд гэрлийн хурдны 1/30-тай тэнцэх хурдтай тархдаг.

Хуваалтын үед нейтроны ялгаралт.Цөмийн хуваагдлын үндсэн баримт бол задралын явцад хоёроос гурван нейтрон ялгарах явдал юм. Энэ бол боломжтой болгосон зүйл юм практик хэрэглээцөмийн энерги.

Яагаад ялгаралт үүсч байгааг ойлгох чөлөөт нейтронууд, энэ нь дараахь зүйлийг харгалзан үзэх боломжтой. Тогтвортой цөм дэх нейтроны тоог протоны тоонд харьцуулсан харьцаа өсөх тусам нэмэгддэг нь мэдэгдэж байна. атомын дугаар. Тиймээс хуваагдлын үед үүссэн фрагмент дахь нейтроны харьцангуй тоо нь үелэх системийн дунд байрлах атомын цөмд зөвшөөрөгдөх хэмжээнээс их байна. Үүний үр дүнд задралын явцад хэд хэдэн нейтрон ялгардаг. Тэдний энерги бий өөр өөр утгатай- хэдэн сая электрон вольтоос маш жижиг хэмжээтэй, тэгтэй ойролцоо.

Хагарал нь ихэвчлэн хэсгүүдэд тохиолддог бөгөөд тэдгээрийн масс нь ойролцоогоор 1.5 дахин ялгаатай байдаг. Эдгээр хэлтэрхийнүүд нь хэт их хэмжээний нейтрон агуулдаг тул цацраг идэвхт бодис ихтэй байдаг. Дараалсан задралын үр дүнд тогтвортой изотопуудыг олж авдаг.

Эцэст нь хэлэхэд, ураны цөмийн аяндаа задрал бас байгааг бид тэмдэглэж байна. Нээлттэй байсан Зөвлөлтийн физикчид 1940 онд Г.Н.Флеров, К.А. Энэ нь хоёр сая удаа илүү хугацааураны задралын үеийн хагас задралын .

Цөмийн задралын урвал нь энерги ялгарах замаар дагалддаг.

Нейтроноор бөмбөгдөхөд ураны цөмийн хуваагдлыг 1939 онд Германы эрдэмтэн Отто Хан, Фриц Страсман нар нээсэн.

Отто Хан (1879-1968)
Германы физикч, радиохимийн салбарт анхдагч эрдэмтэн. Уран болон хэд хэдэн цацраг идэвхт элементүүдийн задралыг нээсэн

Фриц Страсман (1902-1980)
Германы физикч, химич. Эдгээр бүтээлүүд нь цөмийн химитэй холбоотой. цөмийн задрал. Химийн задралын үйл явцын нотолгоог өгсөн

Энэ үзэгдлийн механизмыг авч үзье. Зураг 162а-д ураны атомын цөмийг уламжлалт байдлаар харуулав. Нэмэлт нейтроныг шингээж авсны дараа цөм нь догдолж, гажигтай болж, сунасан хэлбэрийг олж авдаг (Зураг 162, б).

Цагаан будаа. 162. Ураны цөмд орох нейтроны нөлөөгөөр задрах үйл явц.

Цөмд хоёр төрлийн хүч ажиллаж байдгийг та аль хэдийн мэдэж байгаа: цөмийг задлах хандлагатай протонуудын хоорондох цахилгаан статик түлхэлтийн хүч, бүх нуклонуудын хоорондох цөмийн татах хүч, үүний ачаар цөм задрахгүй. Гэхдээ цөмийн хүч нь богино зайд байдаг тул сунасан цөмд тэд бие биенээсээ маш хол байгаа цөмийн хэсгүүдийг барьж чадахгүй. Цахилгаан статик түлхэлтийн хүчний нөлөөн дор цөм нь хоёр хэсэгт хуваагддаг (Зураг 162, в) өөр өөр талуудасар хурдтайгаар 2-3 нейтрон ялгаруулдаг.

Энэ хэсэг нь харагдаж байна дотоод энергицөм нь нисдэг хэсгүүд болон бөөмсүүдийн кинетик энерги болж хувирдаг. Хагархай хэсэг нь хүрээлэн буй орчинд хурдан удааширч, улмаар тэдгээрийг үүсгэдэг кинетик энергинь орчны дотоод энерги (өөрөөр хэлбэл, түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлийн болон дулааны хөдөлгөөний энерги) болж хувирдаг.

Нэгэн зэрэг хуваагдалтай их хэмжээнийураны цөм, ураныг хүрээлэн буй орчны дотоод энерги, үүний дагуу түүний температур мэдэгдэхүйц нэмэгддэг (жишээ нь, хүрээлэн буй орчин халдаг).

Тиймээс ураны цөмийн задралын урвал нь энерги ялгарах үед үүсдэг орчин.

Атомын цөмд агуулагдах энерги нь асар их юм. Жишээлбэл, 1 г уранд агуулагдах бүх цөм бүрэн задрахад 2.5 тонн газрын тос шатаах үед ялгардаг энергитэй ижил хэмжээний энерги ялгардаг. Дотоод энергийг хувиргах атомын цөмАтомын цахилгаан станцуудын цахилгаан эрчим хүч гэж нэрлэгддэг зүйлийг ашигладаг цөмийн задралын гинжин урвал.

Ураны изотопын цөмийн задралын гинжин урвалын механизмыг авч үзье. Нейтроныг барьж авсны үр дүнд ураны атомын цөм (Зураг 163) хоёр хэсэгт хуваагдан гурван нейтрон ялгаруулжээ. Эдгээр нейтроны хоёр нь дахин хоёр цөмийн задралын урвал үүсгэж, дөрвөн нейтрон үүсгэсэн. Эдгээр нь эргээд дөрвөн цөмийн хуваагдлыг үүсгэж, дараа нь есөн нейтрон үүссэн гэх мэт.

Цөм бүрийн хуваагдал нь бусад цөмийн задралд оролцох боломжтой 2-3 нейтрон үүсгэдэг тул гинжин урвал боломжтой байдаг.

163-р зурагт гинжин урвалын диаграммыг үзүүлэв нийт тооураны хэсэг дэх чөлөөт нейтронууд цаг хугацааны явцад нуранги шиг нэмэгддэг. Үүний дагуу цөмийн задралын тоо, нэгж хугацаанд ялгарах энерги эрс нэмэгддэг. Тиймээс ийм урвал нь тэсрэх шинж чанартай байдаг (энэ нь атомын бөмбөгөнд тохиолддог).

Цагаан будаа. 163. Ураны цөмийн задралын гинжин урвал

Цаг хугацаа өнгөрөх тусам чөлөөт нейтроны тоо буурдаг өөр нэг хувилбар боломжтой. Энэ тохиолдолд гинжин урвалзогсдог. Тиймээс ийм урвалыг цахилгаан үйлдвэрлэхэд ашиглах боломжгүй юм.

IN энхийн зорилгоорЗөвхөн цаг хугацааны явцад нейтроны тоо өөрчлөгддөггүй гинжин урвалын энергийг ашиглах боломжтой.

Нейтроны тоо байнга тогтмол байхыг бид хэрхэн баталгаажуулах вэ? Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд гинжин урвал явагдах ураны хэсэг дэх чөлөөт нейтроны нийт тоо нэмэгдэх, буурахад ямар хүчин зүйл нөлөөлж байгааг мэдэх хэрэгтэй.

Ийм нэг хүчин зүйл бол ураны масс юм. Цөмийн задралын үед ялгардаг нейтрон бүр бусад цөмийн хуваагдлыг үүсгэдэггүй (163-р зургийг үз). Хэрэв ураны нэг хэсгийн масс (мөн үүний дагуу хэмжээс нь) хэтэрхий бага байвал олон нейтронууд түүнээс нисч, замдаа цөмтэй уулзаж амжаагүй, хуваагдаж, улмаар шинэ үеийг бий болгоно. урвалыг үргэлжлүүлэхэд шаардлагатай нейтронууд. Энэ тохиолдолд гинжин урвал зогсох болно. Урвал үргэлжлэхийн тулд ураны массыг тодорхой утгад хүргэх шаардлагатай шүүмжлэлтэй.

Масс нэмэгдэхийн хэрээр гинжин урвал яагаад боломжтой болдог вэ? Хэсгийн масс их байх тусам түүний хэмжээс их байх тусам илүү их байх болно илүү урт зам, аль нейтронууд түүгээр дамждаг. Энэ тохиолдолд нейтронууд цөмтэй уулзах магадлал нэмэгддэг. Үүний дагуу цөмийн задралын тоо, ялгарах нейтроны тоо нэмэгддэг.

Ураны эгзэгтэй массад цөмийн задралын үед үүссэн нейтроны тоо нэмэгддэг тоотой тэнцүү байнаалдагдсан нейтронууд (жишээ нь, хуваагдалгүйгээр цөмд баригдаж, хэсгээс гадуур ялгардаг).

Тиймээс тэдний нийт тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Энэ тохиолдолд гинжин урвал үүсч болно урт хугацаазогсолтгүй, тэсрэх аюултай.

• Гинжин урвал явагдах ураны хамгийн бага массыг критик масс гэнэ

Хэрэв ураны масс нь критик массаас их байвал чөлөөт нейтроны тоо огцом нэмэгдсэний үр дүнд гинжин урвал нь дэлбэрэлтэд хүргэдэг бөгөөд хэрэв энэ нь чухал массаас бага бол урвал явагдахгүй. чөлөөт нейтроны дутагдлаас болж үргэлжлүүлнэ.

Нейтроны алдагдлыг (цөмтэй урвалд орохгүйгээр уранаас нисдэг) ​​зөвхөн ураны массыг нэмэгдүүлэхээс гадна тусгай цацруулагч бүрхүүл ашиглан багасгаж болно. Үүний тулд ураны нэг хэсгийг нейтроныг сайн тусгадаг бодисоор хийсэн бүрхүүлд (жишээлбэл, бериллий) хийдэг. Энэ бүрхүүлээс харвал нейтронууд уран руу буцаж, цөмийн задралд оролцох боломжтой.

Гинжин урвалын боломжоос хамаарах өөр хэд хэдэн хүчин зүйл байдаг. Жишээлбэл, ураны хэсэг нь бусад төрлийн хэт их хольцтой байвал химийн элементүүд, дараа нь тэд шингээнэ ихэнх ньнейтрон ба урвал зогсдог.

Уран дахь нейтрон зохицуулагч гэж нэрлэгддэг бодис байгаа нь урвалын явцад нөлөөлдөг. Баримт нь уран-235 цөм хамгийн их магадлалтайудаан нейтроны нөлөөн дор хуваагдах. Мөн бөөм хуваагдах үед тэдгээр нь үүсдэг хурдан нейтронууд. Хэрэв хурдан нейтронууд удааширвал тэдгээрийн ихэнх нь уран-235 цөмд баригдаж, дараа нь эдгээр цөмүүд хуваагдана. Бал чулуу, ус, хүнд ус (үүнд дейтерий, 2-р масстай устөрөгчийн изотоп) болон бусад бодисыг зохицуулагч болгон ашигладаг. Эдгээр бодисууд нь нейтроныг бараг шингээхгүйгээр удаашруулдаг.

Тиймээс гинжин урвал үүсэх магадлал нь ураны масс, түүн дэх хольцын хэмжээ, бүрхүүл, зохицуулагч байгаа эсэх болон бусад хүчин зүйлээр тодорхойлогддог.

Уран-235-ын бөмбөрцөг хэлбэрийн эгзэгтэй масс нь ойролцоогоор 50 кг юм. Түүнээс гадна уран нь маш өндөр нягттай тул түүний радиус нь ердөө 9 см юм.

Зохицуулагч ба цацруулагч бүрхүүлийг ашиглаж, хольцын хэмжээг бууруулснаар ураны эгзэгтэй массыг 0.8 кг хүртэл бууруулах боломжтой.

Асуултууд

1. Цөмийн хуваагдал яагаад зөвхөн түүнд шингэсэн нейтроны нөлөөн дор гажигтай үед л эхэлдэг вэ?
2. Цөмийн задралын үр дүнд юу үүсдэг вэ?
3. Цөмийг хуваах явцад дотоод энергийн нэг хэсэг нь ямар энерги болж хувирдаг вэ? Ураны цөмийн хэсгүүдийн кинетик энерги нь хүрээлэн буй орчинд удаашрах үед?
4. Ураны цөмийн задралын урвал хэрхэн явагддаг вэ - хүрээлэн буй орчинд энерги ялгарах эсвэл эсрэгээр энерги шингээх замаар?
5. 163-р зургийг ашиглан гинжин урвалын механизмыг тайлбарла.
6. Ураны критик масс хэд вэ?
7. Ураны масс нь критик массаас бага байвал гинжин урвал үүсэх боломжтой юу; илүү шүүмжлэлтэй юу? Яагаад?

2. Урвалын энергийн гаралтыг ямар энерги гэж нэрлэдэг вэ? Явах урвалын энергийн гарцыг хэрхэн тооцоолох вэ?

3. Гинжин урвалын хурдыг ямар утгаар тодорхойлдог вэ? Гинжин урвалыг хөгжүүлэхэд шаардлагатай нөхцөлийг бичнэ үү.

4. Ямар задралын урвалыг өөрөө тогтворжуулах гэж нэрлэдэг вэ? Энэ нь хэзээ тохиолддог вэ?

5. Цөмийн чухал хэмжээ болон чухал массыг үнэлэх.

N нь бөөмийн концентраци юм. Нэгж хугацаанд нейтроны цөмтэй мөргөлдөх тоо n.

Цөмийн задралын урвал- задралын урвалууд нь нейтроны нөлөөн дор хүнд цөм ба бусад бөөмсүүд нь хэд хэдэн хөнгөн цөмд (фрагментууд) хуваагддаг бөгөөд ихэнхдээ ижил төстэй масстай хоёр цөмд хуваагддаг.

Цөмийн хуваагдлын нэг онцлог шинж чанар нь түүнийг хоёр, гурван хоёрдогч нейтроны ялгаралт дагалддаг. задралын нейтронууд.Дунд зэргийн цөмийн хувьд нейтроны тоо ойролцоогоор протоны тоотой тэнцүү байна ( N/Z ≈ 1), хүнд цөмийн хувьд нейтроны тоо протоны тооноос хамаагүй их байна ( N/Z ≈ 1.6), дараа нь үүссэн хуваагдлын хэсгүүд нь нейтроноор хэт ачаалалтай байдаг бөгөөд үүний үр дүнд хуваагдлын нейтронуудыг ялгаруулдаг. Гэсэн хэдий ч задралын нейтроны ялгаралт нь фрагмент цөмийн нейтроны хэт ачааллыг бүрэн арилгадаггүй. Энэ нь хэлтэрхийнүүд цацраг идэвхт бодис болоход хүргэдэг. Тэд γ квантуудын ялгаралт дагалддаг β - - хувиргалтуудын цувралд орж болно. β - задрал нь нейтроныг протон болгон хувиргах замаар явагддаг тул β - хувиргалтын гинжин хэлхээний дараа фрагмент дэх нейтрон ба протонуудын харьцаа тогтвортой изотоптой тохирох утгад хүрнэ. Жишээлбэл, ураны цөмийн задралын үед У

U+ n → Xe + Sr +2 n(265.1)

хуваагдлын хэсэг Xe нь β - задралын гурван үйлдлийн үр дүнд болж хувирдаг тогтвортой изотопЛантана Ла:

хэхэ → Cs → Ба → Ла.

Хуваалтын хэсгүүд олон янз байж болох тул урвал (265.1) нь U-г задлахад хүргэдэг цорын ганц зүйл биш юм.

Ихэнх задралын нейтронууд бараг тэр дороо ялгардаг ( т≤ 10 –14 сек) ба хэсэг (ойролцоогоор 0,7%) нь задралын дараа хэсэг хугацааны дараа (0,05 сек ≤) хуваагдлын хэсгүүдээр ялгардаг. т≤ 60 сек). Тэдний эхнийх нь гэж нэрлэгддэг шуурхай,хоёр дахь - хоцрогдол.Дунджаар задралын үйл явдал бүр 2.5 нейтрон үүсгэдэг. Тэд харьцангуй өргөн энергийн спектртэй бөгөөд 0-ээс 7 МэВ хооронд хэлбэлздэг бөгөөд нэг нейтрон дунджаар 2 МэВ энергитэй байдаг.

Цөмийн хуваагдал нь мөн их хэмжээний энерги ялгардаг байх ёстойг тооцоо харуулж байна. Үнэн хэрэгтээ бөөмийг холбох тусгай энерги дундаж жинойролцоогоор 8.7 МэВ, харин хүнд цөмийн хувьд 7.6 МэВ-тэй тэнцүү байна. Иймээс хүнд цөмийг хоёр хэсэг болгон хуваахад нэг нуклонд ойролцоогоор 1.1 МэВ-тэй тэнцэх энерги ялгарах ёстой.

Атомын цөмийн задралын онол (Н. Бор, Я. И. Френкель) нь цөмийн дусал загвар дээр суурилдаг. Цөмийг цахилгаан цэнэгтэй, шахагдашгүй шингэний дусал (цөмийн нягттай тэнцүү нягтралтай, хууль тогтоомжид захирагддаг) гэж үздэг. квант механик), нейтрон цөмд хүрэх үед бөөмс нь орж ирдэг хэлбэлзлийн хөдөлгөөн, үүний үр дүнд цөм нь хоёр хэсэгт хуваагдаж, асар их эрчим хүчээр нисдэг.

Цөмийн задралын магадлалыг нейтроны энергиэр тодорхойлно. Жишээлбэл, өндөр энергитэй нейтронууд нь бараг бүх цөмийн хуваагдлыг үүсгэдэг бол хэд хэдэн мега-электрон-вольтийн энергитэй нейтронууд нь зөвхөн хүнд цөмийн хуваагдлыг үүсгэдэг ( А>210), нейтронтой идэвхжүүлэх энерги(цөмийн задралын урвал явуулахад шаардагдах хамгийн бага энерги) 1 МэВ-ийн дарааллаар уран U, тори Th, протактин Па, плутони Пу цөмүүдийг задлахад хүргэдэг. Дулааны нейтрон нь U, Pu, U, Th-ийн цөмүүдийг задалдаг (сүүлийн хоёр изотоп нь байгальд байдаггүй, тэдгээрийг зохиомлоор олж авдаг).

Цөмийн задралын үед ялгардаг хоёрдогч нейтронууд нь хуваагдлын шинэ үйл явдлуудыг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хуваагдлын гинжин урвал- урвалыг үүсгэгч хэсгүүд нь энэхүү урвалын бүтээгдэхүүн болж үүсдэг цөмийн урвал. Хуваалтын гинжин урвал нь тодорхойлогддог үржүүлэх хүчин зүйл кнейтронууд, тэдгээр нь харьцаатай тэнцүү байнатухайн үеийн нейтроны тоог өмнөх үеийнхтэй нь харьцуулна. Шаардлагатай нөхцөлхуваагдлын гинжин урвалын хөгжилд зориулагдсан шаардлага k ≥ 1.

Бүх хоёрдогч нейтронууд нь цөмийн хуваагдлыг үүсгэдэггүй бөгөөд энэ нь үржих хүчин зүйл буурахад хүргэдэг. Нэгдүгээрт, хязгаарлагдмал хэмжээстэй холбоотой гол(үнэ цэнэтэй урвал явагдах орон зай) ба нейтроны өндөр нэвтрэх чадвартай тул тэдгээрийн зарим нь аливаа цөмд баригдахаас өмнө идэвхтэй бүсийг орхих болно. Хоёрдугаарт, зарим нейтронууд нь цөмд үргэлж байдаг задралгүй хольцын цөмд баригддаг бөгөөд үүнээс гадна задралын зэрэгцээ цацрагийг барьж авах, уян хатан бус сарних үйл явц явагдаж болно.

Үржүүлэх коэффициент нь задрах бодисын шинж чанараас хамаарна, мөн өгөгдсөн изотопын– түүний тоо хэмжээ, түүнчлэн идэвхтэй бүсийн хэмжээ, хэлбэр. Гинжин урвал явагдах боломжтой цөмийн хамгийн бага хэмжээсийг нэрлэнэ чухал хэмжээсүүд.Хэрэгжүүлэхэд шаардлагатай чухал хэмжигдэхүүнүүдийн системд байрлах хуваагдмал материалын хамгийн бага масс гинжин урвал,дуудсан чухал масс.

Гинжин урвалын хөгжлийн хурд өөр байна. Болъё Т -дундаж хугацаа

нэг үеийн амьдрал, мөн Н- тухайн үеийн нейтроны тоо. Дараагийн үед тэдний тоо тэнцүү байна кН,Т. д. нэг үеийн нейтроны тоог нэмэгдүүлэх dN = kN – N = N(к - 1). Нэгж цаг тутамд нейтроны тооны өсөлт, өөрөөр хэлбэл гинжин урвалын өсөлтийн хурд,

. (266.1)

(266.1) нэгтгэснээр бид олж авна

,

Хаана N 0- доторх нейтроны тоо эхлэх мөчцаг хугацаа, ба Н- нэг удаад тэдний тоо т. Нтэмдгээр тодорхойлогддог ( к- 1). At к>1 ирж байна урвал хөгжүүлэх,хуваагдлын тоо тасралтгүй нэмэгдэж, урвал нь тэсрэх аюултай. At к=1 явж байна өөрийгөө дэмжих урвалцаг хугацааны явцад нейтроны тоо өөрчлөгддөггүй. At к <1 идет бүдгэрэх урвал

Гинжин урвалд хяналттай ба хяналтгүй урвалууд орно. Жишээлбэл, атомын бөмбөг дэлбэрэх нь хяналтгүй урвал юм. Хадгалах явцад атомын бөмбөг тэсрэхээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд доторх U (эсвэл Пу) нь бие биенээсээ алслагдсан, эгзэгтэй хэмжээнээс бага масстай хоёр хэсэгт хуваагддаг. Дараа нь ердийн дэлбэрэлтийн тусламжтайгаар эдгээр массууд хоорондоо ойртож, задрах бодисын нийт масс нь эгзэгтэй хэмжээнээс их болж, тэсрэх гинжин урвал үүсч, асар их хэмжээний энерги гарч, асар их сүйрэл дагалддаг. . Тэсрэх урвал нь аяндаа хуваагдах нейтронууд эсвэл сансрын цацрагийн нейтронуудаас болж эхэлдэг. Цөмийн реакторуудад хяналттай гинжин урвал явагддаг.

Нейтроны бодистой харилцан үйлчлэлийг судлах нь цөмийн урвалын шинэ хэлбэрийг нээхэд хүргэсэн. 1939 онд О.Хан, Ф.Страсман нар ураны цөмийг нейтроноор бөмбөгдсөний үр дүнд үүссэн химийн бүтээгдэхүүнийг судалжээ. Урвалын бүтээгдэхүүнүүдийн дотроос ураны массаас хамаагүй бага жинтэй химийн элемент болох барийг илрүүлсэн. Асуудлыг Германы физикч Л.Майтнер, О.Фриш нар шийдэж, нейтроныг уранд шингээх үед цөм хоёр хуваагддаг болохыг харуулсан.

Хаана к > 1.

Ураны цөмийн задралын үед ~0.1 эВ энергитэй дулааны нейтрон ~200 МэВ энерги ялгаруулдаг. Хамгийн чухал зүйл бол энэ үйл явц нь бусад ураны цөмийг задлах чадвартай нейтронууд дагалддаг. хуваагдлын гинжин урвал . Ийнхүү нэг нейтрон нь цөмийн хуваагдлын салаалсан гинжийг үүсгэж болох ба задралын урвалд оролцох цөмийн тоо экспоненциалаар нэмэгдэх болно. Явах гинжин урвалыг ашиглах хэтийн төлөв нээгдэв хоёр чиглэлд:

· удирдсан цөмийн урвалхэлтэс- Бүтээл цөмийн реакторууд;

· цөмийн задралын урвал- цөмийн зэвсэг бүтээх.

1942 онд анхны цөмийн реактор. ЗХУ-д анхны реакторыг 1946 онд эхлүүлсэн.Одоогоор дулааны болон Цахилгаан эрчим хүчдэлхийн янз бүрийн улс оронд ажиллаж байгаа хэдэн зуун цөмийн реакторуудад үйлдвэрлэсэн.

Зураг дээрээс харж болно. 4.2, үнэ цэнэ нь нэмэгдэж байна Ахүртэл тусгай холбох энерги нэмэгддэг А» 50. Энэ зан үйлийг хүчний хослолоор тайлбарлаж болно; Ганц хоёр нуклон биш, харин өөр хэд хэдэн нуклон татагдсан тохиолдолд бие даасан нуклоныг холбох энерги нэмэгддэг. Гэсэн хэдий ч массын тоо бүхий элементүүдэд илүү их утгатай байдаг А» 50 тусгай холбох энерги нь ихсэх тусам аажмаар буурдаг А.Энэ нь цөмийн таталцлын хүч нь бие даасан нуклонуудын хэмжээгээр үйл ажиллагааны радиустай, богино зайд байдагтай холбоотой юм. Энэ радиусаас гадна цахилгаан статик түлхэлтийн хүч давамгайлдаг. Хэрэв хоёр протон 2.5х10-15 м-ээс их зайтай байвал тэдгээрийн хооронд цөмийн таталцлаас илүү Кулоны түлхэлтийн хүч давамгайлдаг.

Энэ зан үйлийн үр дагавар нь тусгай холболтын энергиээс хамаарна АЭнэ нь хоёр үйл явцын оршин тогтнох явдал юм - цөмийн нэгдэл ба задрал . Электрон ба протоны харилцан үйлчлэлийг авч үзье. Устөрөгчийн атом үүсэхэд 13.6 эВ энерги ялгарч, устөрөгчийн атомын масс массын нийлбэрээс 13.6 эВ бага байна. чөлөөт электронба протон. Үүний нэгэн адил хоёр гэрлийн цөмийн масс нь D дээр нийлсэний дараа массаас давсан байна М. Хэрэв та тэдгээрийг холбовол тэд ялгарах энергийг нэгтгэнэ Хатагтай 2. Энэ процессыг нэрлэдэг цөмийн нэгдэл . Массын зөрүү 0.5% -иас их байж болно.

Хэрэв хүнд цөм хоёр хөнгөн цөмд хуваагдвал тэдгээрийн масс нь эх цөмийн массаас 0.1% бага байх болно. Хүнд цөмүүд хандлагатай байдаг хэлтэсэнерги ялгаруулж хоёр хөнгөн цөм болж хувирдаг. Эрчим хүч атомын бөмбөгмөн цөмийн реактор нь эрчим хүчийг илэрхийлдэг , цөмийн задралын үед ялгардаг . Эрчим хүч устөрөгчийн бөмбөг үед ялгарах энерги юм цөмийн нэгдэл. Альфа задралыг эх цөм нь тогтсон тэгш бус хуваагдал гэж үзэж болно. Мжижиг альфа бөөмс болон том үлдэгдэл цөмд хуваагдана. Альфа задрал нь зөвхөн урвалд орсон тохиолдолд л боломжтой юм

жин Ммасс болон альфа бөөмийн нийлбэрээс их болж хувирав. Бүх цөм нь З> 82 (хар тугалга) .At З> 92 (уран) альфа задралын хагас задралын хугацаа нь дэлхийн наснаас хамаагүй урт байдаг ба ийм элементүүд байгальд байдаггүй. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийг зохиомлоор үүсгэж болно. Жишээлбэл, плутони ( З= 94) цөмийн реактор дахь уранаас гаргаж авч болно. Энэ процедур нь түгээмэл болсон бөгөөд 1 г нь ердөө 15 долларын үнэтэй хэвээр байгаа бөгөөд энэ хүртэл элементийг олж авах боломжтой болсон З= 118, гэхдээ хамаагүй өндөр үнээр, дүрмээр бол өчүүхэн тоогоор. Радиохимичид хэдийгээр олж авч сурна гэж найдаж болно бага хэмжээгээр, шинэ элементүүдтэй З> 118.

Хэрэв их хэмжээний ураны цөмийг нуклонуудын хоёр бүлэгт хувааж чадвал эдгээр нуклонуудын бүлгүүд өөрсдийгөө илүү хүчтэй холбоо бүхий цөм болгон өөрчилнө. Бүтцийн өөрчлөлтийн явцад эрчим хүч ялгарах болно. Цөмийн аяндаа задралыг эрчим хүчний хэмнэлтийн хуулиар зөвшөөрдөг. Гэсэн хэдий ч байгалийн цөмд хуваагдах урвалын боломжит саад тотгор нь маш өндөр тул аяндаа хуваагдах магадлал нь альфа задралын магадлалаас хамаагүй бага юм. Аяндаа хуваагдахтай харьцуулахад 238 U цөмийн хагас задралын хугацаа 8×10 15 жил байна. Энэ нь дэлхийн наснаас нэг сая дахин их юм. Хэрэв нейтрон хүнд цөмтэй мөргөлдвөл дээд цэг рүү шилжиж болно эрчим хүчний түвшинцахилгаан статик потенциалын саадын дээд хэсэгт ойртох тусам хуваагдах магадлал нэмэгдэнэ. Өдөөгдсөн төлөвт байгаа цөм нь мэдэгдэхүйц өнцгийн импульстэй байж, зууван хэлбэртэй болдог. Цөмийн захын хэсгүүд нь саад тотгорын ард хэсэгчлэн байрладаг тул саадыг илүү амархан нэвтэрдэг. Гол нь зууван хэлбэрсаадын үүрэг улам суларч байна. Цөмд баригдсан үед эсвэл удаан нейтронмаш их байна богино хугацаандхуваагдалтай харьцуулахад амьдрал. Ураны цөм ба задралын ердийн бүтээгдэхүүний хоорондох массын ялгаа нь ураны задралд дунджаар 200 МэВ энерги ялгаруулдаг. Ураны цөмийн үлдсэн масс нь 2.2×105 МэВ. Энэ массын ойролцоогоор 0.1% нь энерги болж хувирдаг бөгөөд энэ нь 200 МэВ-ийн 2.2 × 10 5 МэВ-ийн харьцаатай тэнцүү юм.

Эрчим хүчний үнэлгээ,хуваалтаар гаргасан,-аас авч болно Weizsäcker томъёо :

Цөмийг хоёр хэсэг болгон хуваахад гадаргуугийн энерги болон Кулоны энерги өөрчлөгдөнө , мөн гадаргуугийн энерги нэмэгдэж, Кулоны энерги багасна. Явах үед энерги ялгарах үед хуваагдах боломжтой Э > 0.

.

Энд А 1 = А/2, З 1 = З/2. Үүнээс бид хуваагдал нь энергийн хувьд таатай байдаг гэдгийг олж авдаг З 2 /А> 17. Хэмжээ З 2 /Адуудсан хуваагдах параметр . Эрчим хүч Э, хуваах явцад ялгарах нь нэмэгдэх тусам нэмэгддэг З 2 /А.

Хуваах явцад цөм нь хэлбэрээ өөрчилдөг - энэ нь дараах үе шатуудыг дараалан дамжуулдаг (Зураг 9.4): бөмбөг, эллипсоид, дамббелл, лийр хэлбэртэй хоёр хэлтэрхий, хоёр бөмбөрцөг хэлтэрхий.

Хагарал үүссэний дараа хэлтэрхийнүүд бие биенээсээ радиусаасаа хамаагүй хол зайд байрласаны дараа хэсгүүдийн потенциал энерги тодорхойлогдоно. Кулоны харилцан үйлчлэлтэдгээрийн хооронд тэгтэй тэнцүү гэж үзэж болно.

Цөмийн хэлбэрийн хувьслын улмаас түүний өөрчлөлт боломжит эрчим хүчгадаргуугийн болон Кулоны энергийн нийлбэрийн өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог . Деформацийн үед голын эзэлхүүн өөрчлөгдөхгүй гэж үздэг. Энэ тохиолдолд цөмийн гадаргуугийн талбай ихсэх тусам гадаргуугийн энерги нэмэгддэг. Нуклон хоорондын дундаж зай ихсэх тусам Кулоны энерги буурдаг. Эллипсоид хэлбэрийн жижиг хэв гажилтын үед гадаргуугийн энергийн өсөлт нь Кулоны энергийн бууралтаас илүү хурдан явагддаг.

Хүнд цөмийн бүс нутагт деформаци нэмэгдэхийн хэрээр гадаргуугийн болон Кулоны энергийн нийлбэр нэмэгддэг. Жижиг эллипсоид хэв гажилтын үед гадаргуугийн энергийг нэмэгдүүлэх нь цөмийн хэлбэр өөрчлөгдөх, улмаар хуваагдахаас сэргийлдэг. Боломжит саад тотгор байгаа нь бөөмийн агшин зуурын аяндаа хуваагдахаас сэргийлдэг. Цөмийг нэн даруй задлахын тулд түүнд хуваагдлын саадны өндрөөс давсан энерги өгөх ёстой. Н.

Хаалтын өндөр Нилүү хандлага багаАнхны цөм дэх Кулон ба гадаргуугийн энерги. Энэ харьцаа нь эргээд хуваагдах параметр нэмэгдэх тусам нэмэгддэг З 2 /А.Цөм нь хүнд байх тусам хаалтын өндөр нь бага байна Н, учир нь хуваагдах параметр нь массын тоо нэмэгдэх тусам нэмэгддэг:

Хүнд цөмүүд хуваагдал үүсгэхийн тулд ерөнхийдөө бага энерги өгөх шаардлагатай байдаг. Weizsäcker-ийн томъёоноос үзэхэд хуваагдлын саадын өндөр нь -д алга болно. Тэдгээр. дусал загварын дагуу байгальд ямар ч цөм байх ёсгүй, учир нь тэдгээр нь бараг агшин зуур (шинж чанараараа) цөмийн цагойролцоогоор 10-22 секунд) аяндаа хуваагдана. Атомын цөмүүдийн оршин тогтнох (" тогтвортой байдлын арал ") нь атомын цөмийн бүрхүүлийн бүтцээр тайлбарлагддаг. Цөмийн аяндаа хуваагдал , үүнд саад тотгорын өндөр Нүүднээс авч үзвэл тэгтэй тэнцүү биш сонгодог физикболомжгүй. Квант механикийн үүднээс авч үзвэл ийм хуваагдал нь боломжит саадыг дайран өнгөрсний үр дүнд боломжтой бөгөөд үүнийг нэрлэдэг. аяндаа хуваагдал . Хагарлын параметр нэмэгдэх тусам аяндаа хуваагдах магадлал нэмэгддэг, i.e. хуваагдах саадын өндөр буурахтай.

-тэй бөөмийг албадан задлах фотон, нейтрон, протон, дейтерон, α-бөөм гэх мэт ямар ч бөөмс үүсч болно, хэрэв тэдгээрийн цөмд оруулах энерги нь хуваагдлын саадыг даван туулахад хангалттай бол.

Дулааны нейтроны задралын явцад үүссэн хэсгүүдийн масс нь тэнцүү биш юм. Цөм нь хуваагдах хандлагатай байдаг тул фрагментийн нуклонуудын гол хэсэг нь тогтвортой ид шидийн цөмийг үүсгэдэг. Зураг дээр. Зураг 9.5-д хуваах үеийн массын тархалтыг харуулав. Массын тоонуудын хамгийн их магадлалтай хослол нь 95 ба 139 юм.

Цөм дэх нейтроны тоог протоны тоонд харьцуулсан харьцаа 1.55, харин тогтвортой элементүүд, задралын хэсгүүдийн масстай ойролцоо масстай, энэ харьцаа 1.25 - 1.45 байна. Үүний үр дүнд хуваагдлын хэсгүүд нь нейтроноор хэт ачаалалтай байдаг бөгөөд β-задрахад тогтворгүй байдаг - тэдгээр нь цацраг идэвхт юм.

Хугарлын үр дүнд ~200 МэВ энерги ялгардаг. Үүний 80 орчим хувь нь фрагментийн энергиээс гардаг. Нэг задралын үед хоёроос илүү хэсэг үүсдэг задралын нейтронууд хамт дундаж эрчим хүч~ 2 МэВ.

1 г ямар ч бодис агуулдаг . 1 г уран задрахад ~ 9 × 10 10 Ж ялгардаг. Энэ нь 1 г нүүрс (2.9 × 10 4 Ж) шатаах энергиэс бараг 3 сая дахин их юм. Мэдээжийн хэрэг 1 гр уран нь 1 гр нүүрсээс хамаагүй үнэтэй боловч нүүрс шатааж гаргаж авсан 1 Ж эрчим хүчний өртөг нь ураны түлшнийхээс 400 дахин өндөр байдаг. 1 кВт.ц эрчим хүч үйлдвэрлэхэд нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцуудад 1.7 цент, атомын цахилгаан станцуудад 1.05 цент зарцуулдаг.

Баярлалаа гинжин урвалцөмийн задралын процессыг хийж болно өөрийгөө тэтгэх . Явах бүрт 2 эсвэл 3 нейтрон ялгардаг (Зураг 9.6). Хэрэв эдгээр нейтронуудын аль нэг нь өөр нэг ураны цөмийн задралд хүргэж чадвал энэ үйл явц өөрөө явагдах болно.

Энэ шаардлагыг хангасан хуваагдмал бодисын цуглуулгыг гэнэ чухал хурал . Эхний ийм чуулган гэж нэрлэдэг цөмийн реактор , Чикагогийн их сургуулийн нутаг дэвсгэр дээр Энрико Фермигийн удирдлаган дор 1942 онд баригдсан. Анхны цөмийн реакторыг 1946 онд И.Курчатовын удирдлага дор Москвад ажиллуулж байжээ. Эхлээд цөмийн цахилгаан станц 5 МВт-ын хүчин чадалтай 1954 онд ЗХУ-д Обнинск хотод ашиглалтад орсон (Зураг 9.7).

Массмөн та бас хийж чадна хэт шүүмжлэлтэй . Энэ тохиолдолд задралын үед үүссэн нейтронууд нь хэд хэдэн хоёрдогч хуваагдлыг үүсгэдэг. Нейтронууд 10 8 см/с-ээс их хурдтай хөдөлдөг тул хэт чухал бүрэлдэхүүн хэсэг секундын мянгаас бага хугацаанд бүрэн хариу үйлдэл үзүүлэх (эсвэл салж нисэх) боломжтой. Ийм төхөөрөмжийг нэрлэдэг атомын бөмбөг . Плутони эсвэл уранаас бүрдсэн цөмийн цэнэгийг ихэвчлэн дэлбэрэлтийн тусламжтайгаар хэт критик төлөвт шилжүүлдэг. Субкритик масс нь химийн тэсрэх бодисоор хүрээлэгдсэн байдаг. Дэлбэрэх үед плутони эсвэл ураны масс нь агшин зуур шахалтанд ордог. Бөмбөрцгийн нягтрал мэдэгдэхүйц нэмэгдэж байгаа тул нейтроныг шингээх хурд нь гадагшаа зугтаж байгаагаас болж нейтроны алдагдлын хурдаас өндөр болж хувирдаг. Энэ бол хэт шүүмжлэлтэй байх нөхцөл юм.

Зураг дээр. Зураг 9.8-д Хирошимад хаясан Бяцхан хүүгийн атомын бөмбөгийн диаграммыг үзүүлэв. Бөмбөг дэх цөмийн тэсрэх бодис нь хоёр хэсэгт хуваагдсан бөгөөд масс нь чухал массаас бага байв. Дэлбэрэлтэнд шаардагдах эгзэгтэй массыг ердийн тэсрэх бодис ашиглан "бууны аргаар" хоёр хэсгийг холбосноор бий болсон.

1 тонн тринитротолуол (TNT) дэлбэрэхэд 10 9 кал буюу 4 × 10 9 Дж ялгардаг. 1 кг плутони хэрэглэдэг атомын бөмбөг дэлбэрэхэд ойролцоогоор 8 × 10 13 Ж энерги ялгардаг.

Эсвэл энэ нь 1 тонн TNT дэлбэрснээс бараг 20,000 дахин их юм. Ийм бөмбөгийг 20 килотонны бөмбөг гэж нэрлэдэг. Орчин үеийн бөмбөгМегатонн тэсрэх бодис нь ердийн TNT тэсрэх бодисоос хэдэн сая дахин хүчтэй байдаг.

Плутонийн үйлдвэрлэл нь нейтронтой 238 U-ийн цацраг туяанд суурилдаг бөгөөд энэ нь бета задралын үр дүнд 239 Np, дараа нь өөр бета задралын дараа 239 Пу болж хувирдаг 239 U изотоп үүсэхэд хүргэдэг. Бага энергитэй нейтроныг шингээх үед 235 U ба 239 Pu изотопууд хоёулаа хуваагдана. Хуваалтын бүтээгдэхүүн нь илүү хүчтэй холболтоор тодорхойлогддог (нэг нуклонд ~ 1 МэВ), үүний улмаас хуваагдлын үр дүнд ойролцоогоор 200 МэВ энерги ялгардаг.

Хэрэглэсэн плутони эсвэл ураны грамм бүр нь асар их цацраг идэвхит бодис агуулсан бараг нэг грамм цацраг идэвхт задралын бүтээгдэхүүн үүсгэдэг.

Үзүүлэн үзэхийн тулд тохирох холбоос дээр дарна уу: